水銀桶轉動的一個數學模型 - 修改版 |
送交者: 歲月河山 2016年04月26日10:05:48 於 [靈機一動] 發送悄悄話 |
水銀桶轉動的一個數學模型 - 修改版
一個桶里裝有水銀。桶按角速度w勻速轉動。問水銀表面的曲線(面)方程。 解: 桶按角速度w均勻轉動,和桶壁接觸的水銀外層要以桶壁接近的速度轉動。假設在穩態條件下,桶壁和水銀外層幾乎沒有相對速度。把這個假定推廣下去,就是任何質點的角速度都相等。把水銀桶放在直角坐標系中。水桶中軸與Y軸重合。水桶底的圓心與原點重合。XY平面上水銀面的高度用y(x)表示。 用Z=0的平面和Z=dz的平面把水銀割成薄片。再用X=x的平面和X=x+dx的平面把薄片割成細條。其中,x, x+dx都小於水桶的半徑。細條的體積是dxdzy(c)。其中c是x, x+dx之間的某點。細條的質量 dm = dxdzy(c)k。式中k是水銀比重。dm受到的向心力是 f = dxdzy(c)kw^2c2 式中c2是細條的質心。細條左面受到的壓力 f1= Integral(0,y)dzkghdh = dzkgy^2(x)/2。 細條右面受到的壓力f2 = dzkgy^2(x+dx)/2。 由f2-f1=f。得到 dzkg(y^2(x+dx)-y^2(x))/2 = dxdzy(c)kw^2c2。 令x趨近於0,有c->x,c2->x,並化簡後得 (g/2)dy^2/dx = yw^2x dy/dx = w^2x/g 積分後得到 y = w^2x^2/(2g)+C |
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