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这道大学物理题怎么解? - www问答网

这道大学物理题怎么解?

下图为圆锥摆,均匀绳索下端质量为M的小球以匀速v0作水平圆周运动,球旋转时绳索扫出一个圆锥。(a)如果绳子的长度为L,质量可以忽略不计,绳子中的张力T是多少?(b)如果绳子的质量为m,那么绳子中的张力分布T(r)是多少?

其中r是到固定点O的距离。

第一问应该问题不大,不过答案好像表示得很复杂,思路可以是:假设一个角度theta和角速度omega,根据平衡条件,表示拉力(T=mg/cos(theta)),表示角速度(omega^2=g/Lcos(theta)),表示线速度,然后从线速度v_0反解出theta,从而解出T。
而第二问,,
这真是大学物理难度的题目吗?我尝试求解,发现计算难度极大,不知道是我想复杂了还是题目少条件,又或许某些地方可以近似(比如m远小于M,绳子形状在必要时可以认为是直线段,但看起来题干并没有这种提示)。
我一开始的思路,需要求解绳子的形状(表示为函数y(x)),自变量设为横坐标而不是r,同时设张力分布T(x),用微元法,对于ds长度的绳元,受外力为两头的拉力、重力和惯性离心力,列两个平衡方程(我假设绳子形状分布在一个平面内),解两个未知函数。
遇到的问题是,方程表示很繁复,边界条件不好写(绳长为L是一个积分约束),等等。
还是干脆用参数方程,参数选为绳长s,得到的方程看起来简洁一点,但还是不会求解。同样,边界条件的提法还是个问题,如果绳子没有系个球、那会简单一点(即s=L处张力为0),还能继续化简,但还是不好算。
感觉我算的一堆东西不会对你有帮助,所以不拍照了。可以继续追问讨论。
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