Иллюстрация: Rod Cross / Physics Education. В статье, опубликованной в журнале Physics Education, австралийский физик представил результаты очень детального исследования феномена быстрого падения с ускорением, превосходящим известное всем стандартное ускорение свободного падения (g ≈ 9,8 м/с²). Для моделирования этого явления ученый численно решил доволно сложное нелинейное дифференциальное уравнение, описывающее движение падающего стержня, закрепленного шарниром в нижней точке. Результаты исследования показали, что при падении стержня с закрепленным нижним концом, его верхний конец испытывает экспоненциальное ускорение, превышающее g. Однако обгон свободного падения наблюдается лишь в определенном диапазоне начальных углов наклона стержня. Это исследование демонстрирует, что интуитивное представление о невозможности превышения ускорения g для падающих объектов справедливо только для точечных тел. Как было показано еще полвека назад, более сложные объекты, такие как стержни с шарнирным креплением, способны демонстрировать ускорение, превосходящее g.
Вертикальное ускорение центра масс стержня будет меньше, чем g, однако точки вблизи его верхнего конца могут достигать в полтора раза большее ускорение. Позднее была предложена схема, в которой закреплялся уже верхний конец, а стержень отпускался из горизонтального положения. При этом любой объект, находящийся в состоянии покоя на дальнем конце стержня, сразу же начинает отставать от него, переходя в режим свободного падения. Несмотря на то, что этот феномен известен давно, ни в одной из посвященных ему работ не рассчитана зависимость угла поворота стержня от времени, а лишь записаны сами уравнения движения.
Род Кросс (Rod Cross) из Сиднейского университета решил закрыть этот пробел. Он численно решил динамические уравнения для обеих схем и выяснил, чем падение быстрее g в деталях отличается от свободного падения. Оказалось, что в первой схеме зависимость угла от времени описывается экспоненциальными или гиперболическими функциями.
Механическая модель однородного массивного стержня, закрепленного с одного из концов шарниром принципиально проста. Его падение описывается с помощью единственной координаты — угла. Второй закон Ньютона для вращательного движения стержня связывает его угловое ускорение с синусом угла между стержнем и вертикальной осью.
Получающееся дифференциальное уравнение оказывается нелинейным. Оно имеет решение, выраженное через эллиптические функции Якоби, что довольно трудно анализировать в явном виде. Вместо этого математики часто прибегают к приближенным решениям через ряды Фурье или ряды Тейлора. Наиболее известным стало приближение малых углов применительно ко второй схеме, в котором синус угла заменяется самим углом, в этом случае решения представляют собой гармонические колебания маятника.
Вместо этого Кросс записал и численно решил нелинейное дифференциальное уравнение для обеих схем методом конечных разностей. В первом случае он увидел, что стержень, отпущенный из почти вертикального положения (один градус), ускоряется по закону, который с высокой степенью точности аппроксимируется экспоненциально. Увеличение начального угла потребовало обобщить эту зависимость до гиперболического косинуса. Во втором случае стержень разгоняется по параболическому закону.
Численные решения нелинейного дифференциального уравнения (черные точки) и соответствующие аппроксимации (красные линии) для схемы с закреплением стержня снизу (a) и сверху (b). Rod Cross / Physics Education
Особое внимание автор уделил первой схеме, ее еще называют перевернутым маятником. Интерес к перевернутым маятникам обусловлен прикладной задачей по поиску способа предотвратить падение стержня, перемещая шарнир некоторым образом. В отличие от второго случая, здесь обгон свободного падения концом стержня реализуется не всегда.
Физик следил за зависимостью от времени вертикальной координаты конца стержня и простого мяча для различных начальных углов. Он выяснил, что для стержня с параметрами, которые в гармоническом случае соответствовали бы циклической частоте равной восьми радианам в секунду, его конец будет всегда отставать от мяча при углах меньших 42 градусов. При больших углах мяч опережает конец в начале траектории, но затем тот его обгоняет. Наконец, для углов больше 55 градусов конец стержня ускоряется быстрее мяча в любой момент времени.
Сравнение ускорений свободно падающего мяча и конца стержня в первой схеме при различных стартовых углах. Rod Cross / Physics Education
Простые модели очень часто ведут себя математически сложно. Недавно в этом убедились физики, которые нашли фрактальные свойства в переноске чашки с кофе.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
