Новая педагогика » Межпредметные связи физики и музыки » Уравнения колебания струны

Уравнения колебания струны

Будем считать, что струна обладает постоянной линейной плотностью r и растянута силой натяжения P. Направление оси x выберем вдоль положения равновесия струны, через y обозначим поперечное отклонение в точке x в момент времени t. Предполагается, что угол наклона ¶y/¶x кривой, образованный струной в любой момент времени t, настолько мал, что изменением натяжения можно пренебречь. При этих условиях уравнением движения элемента dx будет

rdx ¶2y/¶t2 =dPsin(j) (5.1)

где j - угол наклона касательной относительно оси x. Действительно, правая часть представляет собой разность проекций в направлении y натяжения на обоих концах элемента. На основании только что сделанного предположения можно положить

sinj < tg j = ¶y/¶ x (5.1')

так что уравнение (1) можно переписать

¶2y/¶t2=V2 ¶2y/¶t2 (5.2)

где V2=P/r, где V – скорость. Кинетическая энергия любого участка струны выражается интегралом

T=1/2 ròy'2dx (5.3)

взятым в соответствующих пределах. Потенциальную энергию можно вычислить двумя способами: 1) можно представить, что струна перемещается из состояния покоя в положении равновесия, в состояние покоя в любом другом заданном положении при помощи приложенных к ней поперечных сил. Для простоты предполагаем, что на любой стадии этого процесса все ординаты находятся в постоянном отношении (K) к своему конечному значению y, так что последовательные формы струны отличаются только по амплитудам силы, которая должна быть приложена к элементу dx, для того чтобы уравновесить натяжение на его концах, есть

-¶/¶x (Psinj)dx

синусу j следует положение равное K¶y/¶x при увеличении K на dx приращение смещения равно ydK. Полная работа, выполненная над этим элементом, поэтому будет равна:

-Pyy" dx 0ò1 Kdk= -1/2 Pyy"dx (5.4)

а потенциальная энергия

f=-1/2 P òyy" dx (5.5)

Пользуясь вторым методом, мы вычислим работу, произведённую при растяжении струны против натяжения P. Увеличение длины элемента dx приблизительно равно

Ö1+y'2 dx - dx=1/2 y'2dx (5.6)

так что

f=1/2 P'òy'2dx (5.7)

Эти выражения дают одинаковые результаты, когда интегрирование выполнено по всей возможной длине струны. Действительно при интегрировании по частям получим:

-òyy''dx= -[yy']+òy'2dx (5.8)

Первый член справа относится к значениям на пределах интегрирования струны. Он исчезает на концах возможного участка, т.к. здесь y равно нулю.


Другое по теме:

Обучение рисованию детей дошкольного возраста
Рисование является одним из важнейших средств познания мира и развитие знаний эстетического восприятия, так как оно связано с самостоятельной, практической и творческой деятельностью ребенка. Обучение рисованию в дошкольном возрасте предполагает решению двух взаимосвязанных задач: · во-первых, необ ...

Классификация врождённых пороков развития лица, при которых нарушается речь
Причинами возникновения нарушений речи могут быть врождённые пороки развития лица: 1) расщелина верхней губы – (заячья губа) щель в мягких тканях верхней губы. 2) расщелина нёба – (волчья пасть) расщелина в мягком и твёрдом нёбе. 3) двойная губа – складка слизистой оболочки, располагающаяся паралле ...

Взаимосвязь дидактических принципов обучения
Дидактические принципы связаны друг с другом. Применять эффективно какой-нибудь принцип можно лишь в том случае, если одновременно при этом принимать во внимание все другие принципы. Так, принцип научности сам по себе не вызывает сомнений. Чем выше уровень обучения, тем лучше, успешнее, результатив ...

Категории

Copyright © 2019 - All Rights Reserved - www.edubrilliant.ru