问题

image.png

реши как школьник

思考

Interpreting the setup

I’m parsing the geometry first. If the tube’s plane is tilted by α from vertical, the effective gravitational acceleration along that plane is gcosαg\cos\alpha. I’m then using the standard U-tube oscillation model, T=2πL/(2geff)T=2\pi\sqrt{L/(2g_{\text{eff}})}.

Interpreted the setup

Worked for 8s

回答

Обозначим через xx небольшое смещение жидкости от положения равновесия. Если в одном колене уровень поднялся на xx, то в другом он опустился на xx.

Сначала найдём общую длину столба жидкости в трубке:

L=VS.L=\frac{V}{S}.

По условию

V=100 см3,S=1 см2,V=100\text{ см}^3,\qquad S=1\text{ см}^2,

поэтому

L=1001=100 см=1 м.L=\frac{100}{1}=100\text{ см}=1\text{ м}.

Теперь рассмотрим возвращающую силу.

При смещении жидкости на xx разность уровней вдоль трубки равна

2x.2x.

Но трубка наклонена к вертикали на угол α\alpha, поэтому вертикальная разность высот:

h=2xcosα.h=2x\cos\alpha.

Из-за этой разности высот возникает разность давлений

Δp=ρgh=2ρgxcosα.\Delta p=\rho gh=2\rho gx\cos\alpha.

Значит, сила, возвращающая жидкость в положение равновесия,

F=ΔpS=2ρgSxcosα.F=-\Delta p\,S =-2\rho gSx\cos\alpha.

Масса всей жидкости:

m=ρV=ρSL.m=\rho V=\rho SL.

По второму закону Ньютона:

mx¨=F.m\ddot x=F.

Подставляем:

ρSLx¨=2ρgSxcosα.\rho SL\ddot x=-2\rho gSx\cos\alpha.

Сокращаем ρS\rho S:

Lx¨=2gxcosα,L\ddot x=-2g x\cos\alpha,

или

x¨+2gcosαLx=0.\ddot x+\frac{2g\cos\alpha}{L}x=0.

Это уравнение гармонических колебаний, поэтому

ω2=2gcosαL.\omega^2=\frac{2g\cos\alpha}{L}.

Следовательно,

T=2πω=2πL2gcosα.T=\frac{2\pi}{\omega} =2\pi\sqrt{\frac{L}{2g\cos\alpha}}.

Подставим

L=1 м,α=30,cos30=32,g10 м/с2:L=1\text{ м},\qquad \alpha=30^\circ,\qquad \cos30^\circ=\frac{\sqrt3}{2},\qquad g\approx10\text{ м/с}^2: T=2π12100.866T=2\pi\sqrt{\frac{1}{2\cdot10\cdot0.866}} T2π0.05772π0.2401.51 с.T\approx2\pi\sqrt{0.0577} \approx2\pi\cdot0.240 \approx1.51\text{ с}. T1.5 с\boxed{T\approx1.5\text{ с}}

Ответ: 1.5 с\boxed{1.5\text{ с}}.

分享这个问答