Цилиндрический поплавок массой m и площадью основания S плавает, частично погрузившись в воду. После того как, увеличив глубину погружения поплавка, его отпустили, поплавок начал совершать вертикальные гармонические колебания. Определите частоту этих колебаний. Плотность воды равна ρ. Силой сопротивления пренебречь.
от

1 Ответ

Дано:

m = масса поплавка (кг)  
S = площадь основания поплавка (м^2)  
ρ = плотность воды (кг/м^3)  

Найти:

Частоту колебаний f.

Решение:

1. Для определения частоты колебаний необходимо использовать закон Архимеда, который говорит о том, что на тело, погруженное в жидкость, действует подъемная сила, равная весу вытесненной жидкости. Подъемная сила F_подъем равна:

F_подъем = ρ * g * V,

где g = ускорение свободного падения (приблизительно 9,81 м/с²), а V – объем вытесненной воды.

2. Объем вытесненной воды можно выразить как произведение площади основания S и глубины погружения h:

V = S * h.

3. Тогда подъемная сила составит:

F_подъем = ρ * g * (S * h).

4. Когда поплавок смещается вниз на небольшое расстояние x, его новая глубина погружения будет (h + x). В этом случае подъемная сила становится:

F'_подъем = ρ * g * (S * (h + x)).

5. Разница между старой и новой подъемной силой дает силу, действующую на поплавок:

F_восстановления = F'_подъем - F_подъем
= ρ * g * (S * (h + x)) - ρ * g * (S * h)
= ρ * g * S * x.

6. Эта сила пропорциональна смещению x и направлена вверх, что соответствует закону Гука для гармонических колебаний. Она может быть записана в виде:

F_восстановления = -k * x,

где k = ρ * g * S.

7. По второму закону Ньютона имеем:

F = m * a,
где a = d²x/dt² (ускорение).

8. Таким образом, уравнение движения имеет вид:

m * d²x/dt² = -ρ * g * S * x.

9. Это уравнение колебаний имеет стандартный вид для гармонических колебаний:

d²x/dt² + (ρ * g * S / m) * x = 0.

10. Частота колебаний f связана с циклической частотой ω по формуле:

f = ω / (2 * π),

где ω = sqrt(ρ * g * S / m).

11. Подставив выражение для ω, получаем:

f = (1 / (2 * π)) * sqrt(ρ * g * S / m).

Ответ:

Частота вертикальных гармонических колебаний составляет f = (1 / (2 * π)) * sqrt(ρ * g * S / m) (Гц).
от