Ich glaube, die meisten von Ihnen haben wahrscheinlich das folgende Problem mit Energieeinsparung gelöst, wie hier gezeigt . Es sagt aus
Ein Teilchen beginnt von der Ruhe oben auf einer reibungsfreien Kugel mit dem Radius R und gleitet unter der Schwerkraft auf der Kugel. Wie weit kommt es unter seinen Startpunkt, bevor es von der Kugel abfliegt?
Ich habe versucht, dieses Problem nur mit den Newtonschen Gesetzen ohne Energieeinsparung zu lösen. Ich würde gerne wissen, ob es möglich ist und wenn ja, ob Sie mir einige Ideen geben könnten, wie ich es lösen kann. Das Problem, das ich derzeit habe, ist, dass ich glaube, dass die Normalkraft in diesem Problem keine Konstante ist, sondern eine Funktion des Winkels.
Ich glaube, es ist klar, dass die Flugbahn des Blocks eine Kurve ist, bevor er aus der Kugel fällt. Wenn es sich um eine Kurve handelt, haben wir eine Zentripetalkraft, die durch gegeben ist
Wo ich glaube ist eine Funktion von .
Wenn die Blöcke die Kugel verlassen, gibt es keine Normalkraft mehr, also ist in diesem Moment die zentripetale Resultierende gerade
Das sieht man auch an der Achse, die resultierende Kraft ist gegeben durch
Und die Beschleunigung ist
Jetzt könnte ich versuchen zu lösen
um die Geschwindigkeit in die zu bekommen Achse und finde irgendwie die Höhe heraus, wo die Normalkraft Null ist ... Wie auch immer, das ist es, was ich aus dem Problem weiß und ich bin verloren. Irgendwelche Tipps zur Lösung?
Wir setzen die Kreisbahn des Teilchens auf eine gerade Linie und wandeln die Bewegung wie folgt in eine 1-dimensionale geradlinige Bewegung um: Die Bogenlänge, der natürliche Parameter ist die auf der geraden Linie bis zur Zeit zurückgelegte Strecke . Die Geschwindigkeit auf der Geraden ist der Betrag der Tangente an die Kreisgeschwindigkeit. Nun bewegt sich das Teilchen auf der Geraden wie unter dem Einfluss der Tangentenkraft, die ist also unter einer variablen Beschleunigung . Aber so lautet die Differentialgleichung der Bewegung
da das Teilchen auf dem Ursprung zu ruhen beginnt.
Andererseits ist die Bedingung dafür, dass das Teilchen die Kugel verlässt, dass die Normalkraft Null ist
Nun müssen wir (01) lösen, um herauszufinden, an welcher Stelle die Bedingung (03) erfüllt ist. Aber es wird sich als nicht notwendig erweisen. Also multipliziert man (01) mit wir haben
Dies bedeutet, dass wir eine Integrationskonstante von (01) und expliziter unter Verwendung der Anfangsbedingungen gefunden haben
Wenn wir die Gleichungen (08) und (03) nebeneinander substruieren, haben wir schließlich
Anmerkungen :
Die Differentialgleichung der Bewegung (01) ist identisch mit der in der Antwort von Dvij, aber in Bezug auf anstatt .
Ich finde die Integrationskonstante (07) von Gleichung (01) motiviert durch die Tatsache, dass es eine Konstante gibt: die Energie. Ich habe die Energieeinsparung durch die Hintertür eingefügt.
Wenn ein 'Gesetz' der Physik wirklich vernachlässigt werden kann und Sie trotzdem das Ergebnis eines Experiments absolut genau vorhersagen können, dann ist es kein Gesetz der Physik. Wenn Energieeinsparung hier also eine physikalische Tatsache ist, dann werden wir diese Tatsache entweder implizit oder explizit verwenden – andernfalls dürfen wir nicht in der Lage sein, das vollständige Ergebnis vorherzusagen. Ich gehe also davon aus, dass Ihre Frage darin besteht, die Flugbahn des Balls ohne explizite Verwendung der Energieerhaltung zu berechnen, sondern über (wie Sie erwähnt haben) Newtons Gleichungen kalt.
Da der Radius der Kugel konstant ist, ist es einfach, die Winkelbewegungsgleichungen zu verwenden, anstatt rechteckige Gleichungen mit zwei Komponenten zu verwenden. Ich messe aus der Vertikalen.
Oder,
Das ist die Bewegungsgleichung. Wir werden die Anfangsbedingungen setzen Und . Und wir werden mehr als eine Lösung für diese Differentialgleichungen bekommen! (Es ist in gewisser Weise seltsam und warum das passiert, ist eine lange Diskussion. Aber es legt nicht nahe, dass die Newtonsche Mechanik probabilistisch oder nur teilweise deterministisch ist. Es legt nur nahe, dass der Anfangszustand in einigen Fällen nicht vollständig durch die Ableitungen beschrieben wird bis zur ersten rechtzeitigen Bestellung - wir müssen etwas mehr spezifizieren.) Aus diesen Lösungen wählen wir die Lösung aus, in der nimmt mit der Zeit zu. Im Wesentlichen haben wir jetzt also eine bekannte Funktion der Zeit, , so dass .
Nachdem wir so viel gewusst haben, können wir einfach eine Gleichung für die normale Reaktionskraft wie folgt schreiben:
.
Um das herauszufinden , bei dem der Ball die Oberfläche verlässt, schreiben wir . Und das ergibt
Oder,
Das ist wieder eine Gleichung in und es kann gelöst werden. Beachten Sie, dass es sich nicht um eine Differentialgleichung handelt. Wegen der Funktion ist im ausdrücklichen Sinne bekannt und somit ist die Gleichung nur eine Gleichung in . Die Lösung ergibt den Wert der Zeit, zu der der Ball die Kugel verlässt. Rufen Sie diese Zeit an .
Also der Winkel zum Zeitpunkt des Verlassens .
@dvij gab die Gleichung an
Wie @dmckee sagte, sollten Sie für dieses Problem Polarkoordinaten verwenden. Bewegungsgleichungen sind unten: (
ist Winkelgeschwindigkeit und
ist Winkelbeschleunigung)
Andererseits wissen wir:
Dann können Sie die Gleichung verwenden um den Winkel zu bestimmen, um den der Block seinen Kontakt mit der Kugel verliert. Nicht das, in diesem Winkel, haben wir
Einmal finden Sie
(
ist der Winkel, in dem der Block seinen Kontakt mit der Kugel verliert) finden Sie The
nach dieser Formel:
Sammy Rennmaus
hdhnull
Sammy Rennmaus
hdhnull
Sammy Rennmaus
dmckee --- Ex-Moderator-Kätzchen
hdhnull
hdhnull
dmckee --- Ex-Moderator-Kätzchen
Chet Miller
hdhnull
hdhnull
Sammy Rennmaus
Sch