НПСФ 2006, Специална тема — Задача 1. Разхлабена струна
Национално пролетно състезание по физика, Пловдив, 17 – 19.03.2006 г. — Специална тема · 17 март 2006 г. · 10 т.
Условие
Единият край на струна е закрепен неподвижно, а другият – за шайба с маса , която може да се хлъзга без триене по спица, (фиг. 1). В изправено състояние струната е перпендикулярна на спицата, дължината й е , линейната плътност на масата й (маса на единица дължина) е , а силата на опъване – . Струната трепти с толкова малка амплитуда (), че можете да приемете силата на опъване за постоянна по големина.

При тези условия собствените трептения на струната са стоящи вълни, при които отклонението на точка, разположена на разстояние от неподвижния край, се дава с израза:
(1) ,
където е вълновият вектор на стоящата вълна, а – кръговата честота на трептене.
Упътване:
Силата на опъване е толкова голяма, че можете да пренебрегнете силата на тежестта във всички подусловия на задачата.
Скоростта на разпространение на напречни вълни по опъната струна се дава с израза:
(3) .
Ако решението изисква, можете да използвате предоставената ви милиметрова хартия. В този случай задължително предайте милиметровата хартия заедно с останалите листа от решението!
а) Получете израз за ускорението , с което се движи шайбата, като функция на времето и на параметрите , , , . [2 т.]
б) Докажете, че за да съществува стояща вълна в струната, вълновият й вектор трябва да приема стойности, които се определят от уравнението:
(2) . [4 т.]
в) Пресметнете числено най-ниската (основна) честота на собствено трептене на струната при N, kg/m, kg, m. [4 т.]
Отговори
а)
Използвани са и ; изразът съдържа и линейната плътност , която не е изброена в списъка с параметри в условието.
б)
От с в точката .
в)
При уравнението става с най-малък корен , откъдето m.
Решение
а) Законът за движение на шайбата по се получава от уравнението на стоящата вълна при :
(1) . [0,25 т.]
Ускорението на шайбата е втора производна на отклонението по времето:
(2) . [0,25 т.]
За да изразим ускорението чрез зададените параметри, използваме съотношението:
(3) . [0,5 т.]
Оттук получаваме:
(4) [0,5 т.]
Използваме формулата за скорост на напречните вълни и заместваме израза (4) за в уравнение (2):
(5) [0,5 т.]
б) От II принцип на Нютон:
(6) , [1 т.]
където е ъгълът между допирателната към струната в десния й край и оста (фиг. 1.1). Мащабът по е силно увеличен. В действителност , поради което този ъгъл е много малък и , т. е.:
(7) [1 т.]
От друга страна:
(8) . [1 т.]
Като заместим изразите (5) и (8) в уравнение (7), и след елементарни преобразования, получаваме:
(9) . [1 т.]

в) За да намерим най-ниската (основна) честота на струната, е нужно да определим най-малката стойност на , която удоволетворява условието за стояща вълна (9). Удобно е (но не е задължително) да въведем помощна безразмерна променлива . Тогава уравнение (9) се записва във вида:
(10) .
При зададените числени стойности установяваме, че и уравнинието за определяне на се упростява допълнително:
(11) .
За да намерим най-малкия корен на това уравнение, е достатъчно да построим върху милиметрова хартия графиките на функциите и в интелвала . За целта пресмятаме функцията в поне 10 точки и построяваме нейната графика. Графиката на функцията е ъглополовяща на I квадрант (фиг. 1.2).
[1 т] за таблица с минимум 10 реда, [0,5 т] за таблица 5 – 9 реда, [0 т] за < 5 реда

| x (rad) | cotg(x) |
|---|---|
| 0.1 | 9.966644 |
| 0.2 | 4.933155 |
| 0.3 | 3.232728 |
| 0.4 | 2.365222 |
| 0.5 | 1.830488 |
| 0.6 | 1.461696 |
| 0.7 | 1.187242 |
| 0.8 | 0.971215 |
| 0.9 | 0.793551 |
| 1 | 0.642093 |
| 1.1 | 0.508968 |
| 1.2 | 0.38878 |
| 1.3 | 0.277616 |
| 1.4 | 0.172477 |
| 1.5 | 0.070915 |
[1 т] за правилно нанесени точки върху графиката.
От пресечната точка на графиките намираме:
или m. [1 т] за две верни значещи цифри
За честотата имаме:
, [0,5 т]
откъдето:
Hz. [0,5 т]
Оригинал в Архива: proletni_2006_STproblems.pdf · официални решения: proletni_2006_STsolutions.pdf