2014 dxdy logo

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки




Начать новую тему Ответить на тему На страницу Пред.  1, 2, 3, 4
 
 Re: Канат падает на весы
Сообщение10.12.2023, 09:40 


17/10/16
4794
wrest в сообщении #1620109 писал(а):
Вот: «Падающая пружина, если кому интересно...»

Интересно. При попытке дискретного приближения (шарики на пружинках) получается забавная вещь - легко видеть, что все шарики начинают движение одновременно. Это можно рассмотреть и на простом случае однородной нерастянутой пружинки, лежащей на столе. Однако мы знаем, что в пределе должно точно получится волновое уравнение, в котором волна сжатия движется без изменения формы и со строго конечной скоростью. И действительно, можно увидеть, что делая дискретную модель все более детальной, мы обнуляем все более высокие производные координаты по времени наших шариков, так что в пределе появляется вполне конкретная точка "начала движения", после которой пружина (до которой волновой процесс еще не дошел) абсолютно неподвижна. Поэтому "мгновенная волна движения" в дискретной модели - это погрешность дискретного приближения. И "точка начала падения" пружины в эксперименте движется по пружине сверху вниз и имеет вполне определенную координату в каждый момент времени. Неподвижен не только нижний конец пружины, но и вся пружина ниже "точки падения". С висящей пружиной дело немного осложняется тем, что она неоднородная, поэтому заранее непонятно, будет ли здесь скорость звука постоянной в расчете на один виток, на единицу длины или как-то еще. Но то, что она конечна (и существует "точка начала падения") - тут сомневаться не приходится. Поэтому от жесткости пружины вывод не зависит.

Вывод, конечно, не особо удивительный. Ясно, что быстрее звука в теле ничего не распространяется, поэтому нижний конец будет ждать прихода звуковой волны сверху. Неужели же скорость звука в металле так мала? Тут, скорее всего, имеет значение разница между скоростью поперечной волны и скоростью продольной волны в проволоке пружины. Скорость продольной волны сжатия в проволоке этой пружине (собственно, скорость звука в металле), вероятно, больше скорости поперечной волны в проволоке (скорость волнового процесса в пружине). Поэтому звук распространяется по проволоке пружины быстрее точки начала ее падения, но это никак не отражается на движении ее витков.

Интересно, что вот уравнении теплопроводности даже в непрерывном пределе сохраняется "бесконечная скорость распространения тепла", т.е. тут само непрерывное уравнение описывает процесс теплопередачи не совсем точно. В отличии от волнового уравнения, в которое явно входит скорость волны (и эта скорость имеет строгий смысл), в уравнение теплопроводности не входит "скорость распространения тепла", хотя ясно, что тепло распространяется по телу в любом случае не быстрее звука.

 Профиль  
                  
 
 Re: Канат падает на весы
Сообщение10.12.2023, 11:08 


05/09/16
12058
sergey zhukov в сообщении #1621716 писал(а):
Вывод, конечно, не особо удивительный. Ясно, что быстрее звука в теле ничего не распространяется, поэтому нижний конец будет ждать прихода звуковой волны сверху.

Надо только не забыть, что закон всемирного тяготения никто не отменял, и центр тяжести пружины начнёт падать с ускорением свободного падения сразу как только верхний конец прузины отпустили, и когда-то его скорость превысит скорость звука в пружине. Один из удивительных моментов в этой задаче о падающей пружине, что поведение её не будет зависеть от величины силы тяжести. Почему? Ну потому, что под действием большей силы тяжести она и растянется больше.

 Профиль  
                  
 
 Re: Канат падает на весы
Сообщение10.12.2023, 20:20 


17/10/16
4794
wrest
Численно промоделировал дискретную модель из 50 шариков на пружинках:
Изображение
Это развертка по времени. Изначально пружина висит в равновесном положении в поле силы тяжести (слева). В момент $t=0$ верхний конец отпускают. Модель устроена так, что шарики, которые столкнулись, склеиваются.

Хорошо видно, что сначала скорость волны по пружине превышает скорость падения верхнего конца. Но по мере перехода ко все более плотным областям пружины скорость волны падает, а скорость падения верхнего конца почти не падает и начинает превышать скорость волны. В итоге если первые витки пружины еще как-то "предвидели" падение на них верхнего конца, то на нижние витки он обрушивается уже практически совершенно "без предупреждения", как ударная волна. В этой модели скорость падения верхнего конца получилась все же не постоянной (замедляется).

Т.е. да, как и было сказано в той теме, скорость падения верхнего конца пружины быстро начинает превышать скорость волны в пружине, и появляется четкий фронт, точка, разделяющая падающую и неподвижную части пружины, волна становится ударной.

 Профиль  
                  
 
 Re: Канат падает на весы
Сообщение10.12.2023, 21:40 


05/09/16
12058
sergey zhukov
про пружину ответил там post1621815.html#p1621815

 Профиль  
                  
 
 Re: Канат падает на весы
Сообщение10.12.2023, 21:58 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/09
7067
В своей теме могу задавать глупые вопросы? Почему такие сложности с падающей пружиной? Откуда там взяться волнам? Перейдём в падающую СО, которая будет падать совместно с центром масс пружины. Пружина вся вся одновременно будет то сжиматься, то разжиматься. ИМХО. Поясните, где я неправ?

Если в видео видны волны, то скорее всего пружина не очень правильная. Да и скорость звука в стали сильно велика, если вспоминать про волны.

-- Вс дек 10, 2023 23:41:38 --

wrest в сообщении #1621817 писал(а):
про пружину ответил там post1621815.html#p1621815

В этом посту очень важная мысль:
wrest в сообщении #1621815 писал(а):
Добавьте ещё туда траекторию центра тяжести пружины

Я бы тут добавил ещё вопрос: "А каким образом эта траектория стыкуется с идеями о распространении волн по пружине?"

 Профиль  
                  
 
 Re: Канат падает на весы
Сообщение10.12.2023, 22:51 


27/08/16
10195
мат-ламер в сообщении #1621823 писал(а):
Пружина вся вся одновременно будет то сжиматься, то разжиматься.
Нет, это только одна мода колебаний пружины.

мат-ламер в сообщении #1621823 писал(а):
Да и скорость звука в стали сильно велика, если вспоминать про волны.
Динамика линейной пружины описывается одномерным волновым уравнением. Я его записал в теме про пульку, без учёта силы тяжести. Фундаментальное решение волнового уравнения - две волны, бегущие в противоположные стороны и как-то отражающиеся на концах. Скорости этих волн являются скоростью звука в пружине и не имеют отношения к скорости звука в сплошной стали. Пружины гораздо менее жесткие изделия, чем сплошная сталь.

 Профиль  
                  
 
 Re: Канат падает на весы
Сообщение11.12.2023, 00:25 


17/10/16
4794
мат-ламер
Это нужно очень постараться (задать специальные начальные условия), чтобы динамика пружины была такой простой. Даже если просто взять равномерно сжатую пружину и отпустить ее, она будет колебаться сложным образом. Это как колебания струны: чтобы они были простыми, нужно задать ее (струны) начальное положение в виде полуволны синусоиды, и нулевую скорость. Задашь не так - получишь полный набор гармоник (те самые волны, которые бегают по струне туда/сюда). С пружиной то же самое.

 Профиль  
                  
 
 Re: Канат падает на весы
Сообщение11.12.2023, 01:47 


05/09/16
12058
мат-ламер в сообщении #1621823 писал(а):
В своей теме могу задавать глупые вопросы? Почему такие сложности с падающей пружиной? Откуда там взяться волнам?

Это лучше все-таки в теме пружины спросить... Вернее, сперва её почитать, там много ссылок на объяснение эффектов, в том числе популярное в журнале "Квант".

 Профиль  
                  
 
 Re: Канат падает на весы
Сообщение12.12.2023, 10:44 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/09
7067
sergey zhukov в сообщении #1621849 писал(а):
Даже если просто взять равномерно сжатую пружину и отпустить ее, она будет колебаться сложным образом.

При первом взгляде на проблему всё очень просто (если рассматривать сугубо линейную модель). Пусть у нас на гладком столе лежит растянутая пружина. И мы одновременно отпускаем оба её конца. Средняя часть пружины некоторое начальное время будет оставаться неподвижной. С обоих концов одновременно к центру будут распространяться "информационно-ударные (термин мой)" две волны. Скорость волны равна скорости распространения волны по пружине. До прохождения волны точки пружины неподвижны. После прохождения волны части пружины начнут сжиматься. (Тут процесс будет периодический - далее сжатие сменится растяжением). По мере прохождения по пружине информационные волны будут ослабевать вследствие передачи своей энергии пружине. И к моменту достижения центра масс пружины ослабнут совсем. В итоге каждая часть пружины будет колебаться по одинаковому закону, но с запаздыванием по времени. Что будет выглядеть как распространение по пружине волн. Но это рассуждение с точки зрения сил (следовательно, ускорений), которые действуют на малые части пружин. Если интересоваться скоростями, то этот процесс надо проинтегрировать. А если интересоваться положением точек, то надо проинтегрировать ещё раз. Интересно будет на компьютере построить график положения точек.

-- Вт дек 12, 2023 12:03:21 --

sergey zhukov в сообщении #1621793 писал(а):
Т.е. да, как и было сказано в той теме, скорость падения верхнего конца пружины быстро начинает превышать скорость волны в пружине, и появляется четкий фронт, точка, разделяющая падающую и неподвижную части пружины, волна становится ударной.

Тут я вообще не понял. Причём тут вообще скорость падения? Пружину можно рассматривать как находящуюся в невесомости в падающей СО. А чёткий ударный фронт должен быть. Это идут ударные волны с концов пружины после освобождения последней. Идут со скоростью распространения волны в пружине.

-- Вт дек 12, 2023 12:07:03 --

realeugene в сообщении #1621833 писал(а):
Скорости этих волн являются скоростью звука в пружине и не имеют отношения к скорости звука в сплошной стали. Пружины гораздо менее жесткие изделия, чем сплошная сталь.

Этот момент я недооценил и посчитал, что длина волны в пружине сильно больше длины самой пружины и этим можем пренебречь. Если сделать пружину из тонкой мягкой проволоки (или даже пластмассы) с большим диаметром витков, то пренебречь этим уже нельзя.

-- Вт дек 12, 2023 12:09:55 --

realeugene в сообщении #1621833 писал(а):
Динамика линейной пружины описывается одномерным волновым уравнением. Я его записал в теме про пульку,

А в той теме волны ни к чему. Там уже этим можем пренебречь. Там толстая сильно упругая короткая пружина. Да, и главное, топик-стартер не потянет с волнами. Там для начала без волн он бы разобрался.

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 54 ]  На страницу Пред.  1, 2, 3, 4

Модераторы: photon, whiterussian, profrotter, Jnrty, Aer, Парджеттер, Eule_A, Супермодераторы



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group