Mekanik F del B vt 1997,
lösningar till inlämningsuppgifter omgång 1
1. T.ex. följande:
Låt partikelns läge i ett inertialsystem vara x,
och relativt fjäderns avspända läge y.
Då är x=y+f(t). Newtons 2:a ger
Om man istället använder Lagrange, så har man
och Lagranges ekvation för y blir
De båda metoderna ger samma resultat, så det verkar
fungera även med "tidsberoende koordinater",
men lägg märke till att den kinetiska energin är
"den riktiga".
2.
Centripetalaccelerationen på radien R är
R,
så detta bör vara lika med
tyngdaccelerationen vid jordytan, g.
De två delarna av massans hastighet i figuren är dels
den som beror på rymdstationens rotation, med beloppet
,
dels den som beror på pendels rörelse,
med beloppet .
Vektorsummans belopp ges av cosinusteoremet
med vinkeln
mellan dessa två hastigheter.
Ur figuren ser man dels att sträckan s ges av
,
dels att .
Lagrangefunktionen består endast av den kinetiska energin:
En liten räkning ger vid handen att rörelseekvationen
för vinkeln är
Pendlen rör sig alltså precis som i ett homogent
gravitationsfält, och metoden var inte lyckad. Man vet fortfarande
inte om man befinner sig på rymdstationen eller på jorden
(försåvitt man inte har frågat någon).
Men om man hänger pendeln på olika höjder får
man förstås olika frekvenser.
Detta gällde alltså då man lät pendeln
svänga i ett plan vinkelrätt mot rymdstationens rotationsaxel.
Man kan naturligtvis också fundera på att låta den
svänga i ett plan som innehåller rotationsaxeln (eller bildar
någon annan vinkel mot den). Om man ställer upp Lagranges
ekvationer för detta andra fall (som är enklare,
eftersom de två bidragen till hastigheterna är
vinkelräta), får man verkligen en
avvikelse från den vanliga pendelekvationen. För att denna
rörelse skall vara möjlig, måste pendeln dock vara
konstruerad så att den inte har någon frihet att avvika
frå det planet. Om pendeln verkligen har två frihetsgrader,
kommer dess rörelse att avvika från det plan man avsåg
att den skulle svänga i ("corioliskraft", vi skall behandla detta
senare i kursen).
3.
Vi löser först rörelsen för allmänna
värden på massorna och fjäderkonstanterna.
En rättfram räkning visar att rörelseekvationerna
för de två massorna kan skrivas som
där matriserna K och M och vektorn X ges av
Både massor och fjäderkonstanter är numrerade
från vänster, och koordinaterna är inertiala.
Man kan skriva om detta som
,
där ,
så att kvadraterna på
egenfrekvenserna hos systemet ges av egenvärdena till denna matris.
Dessa kan ganska enkelt lösas ut. Vi nöjer oss med att
ge dem för de fall då antingen fjäderkonstanterna
eller massorna är lika:
Nu vill man undersöka vad som händer då t.ex. den
högra massan är mycket stor jämfört med den
vänstra. Utveckling i kvoten
, som är liten, ger
de två egenvärdena
Om nu alltså den andra massan var mycket stor, får man
dels en egenfrekvens som är den man väntar sig när
den första massan svänger mellan två fjädrar med
sammanlagd fjäderkonstant 2k, dels en egensvängning
som är mycket långsam (det går förstås också
bra att tolka dessa frekvenser i fallet att det är den första
massan som blir liten - det är ju bara den dimensionslösa kvoten
som är viktig; då skulle man säga att den första av
frekvenserna var mycket snabb, och den andra vad man väntar sig
av en massa i två seriekopplade fjädrar). Båda frekvenserna
har alltså en naturlig tolkning här, och överensstämmer
med vad man kan tro. Det som alltid händer är förstås
att den andra egenfrekvensen finns kvar men blir mycket liten
eller mycket stor beroende på gräns. Om man löser ut
egenvektorerna, dvs. amplitudvektorerna för egensvängningarna,
får man
Det ser ut att stämma bra: i övre fallet är den
högra massan som en "vägg" för den vänstra, och
rör sig mycket litet, i det andra svänger mittpunkten på
den seriekopplade fjädern hälften så mycket som
ändpunkten.
Andra fall behandlas på sätt som är väldigt lika
(fast med litet annorlunda tolkningar).
Senast modifierad 25 mars 1997 av
Martin Cederwall,
tfemc@fy.chalmers.se