水银桶转动的一个数学模型 - 修改版 |
送交者: 岁月河山 2016年04月26日10:05:48 于 [灵机一动] 发送悄悄话 |
水银桶转动的一个数学模型 - 修改版
一个桶里装有水银。桶按角速度w匀速转动。问水银表面的曲线(面)方程。 解: 桶按角速度w均匀转动,和桶壁接触的水银外层要以桶壁接近的速度转动。假设在稳态条件下,桶壁和水银外层几乎没有相对速度。把这个假定推广下去,就是任何质点的角速度都相等。把水银桶放在直角坐标系中。水桶中轴与Y轴重合。水桶底的圆心与原点重合。XY平面上水银面的高度用y(x)表示。 用Z=0的平面和Z=dz的平面把水银割成薄片。再用X=x的平面和X=x+dx的平面把薄片割成细条。其中,x, x+dx都小于水桶的半径。细条的体积是dxdzy(c)。其中c是x, x+dx之间的某点。细条的质量 dm = dxdzy(c)k。式中k是水银比重。dm受到的向心力是 f = dxdzy(c)kw^2c2 式中c2是细条的质心。细条左面受到的压力 f1= Integral(0,y)dzkghdh = dzkgy^2(x)/2。 细条右面受到的压力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趋近于0,有c->x,c2->x,并化简后得 (g/2)dy^2/dx = yw^2x dy/dx = w^2x/g 积分后得到 y = w^2x^2/(2g)+C |
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