懸鏈線問(wèn)題 ——呂建冬(學(xué)號(hào)0910247) P92 2-13
如本題圖所示,在兩根登高的立柱之間懸掛均勻重繩AB.繩中點(diǎn)C處的張力比它本身的重量大小如何 試分析這與懸點(diǎn)的角度θ有什么關(guān)系.
將繩子從中間分開只研究左半邊,從整體受力來(lái)分析這半段繩只受豎直向下的重力G和與豎直方向夾角為θ的柱的支持力T以及最低點(diǎn)的右半段繩子給的水平向右的張力H,三個(gè)力平衡.
所以 Tcosθ=G Tsinθ=H 即 H=Gtanθ
兩個(gè)問(wèn)題都可以解決了
但是 θ角的大小與什么有關(guān) 繩子各點(diǎn)的張力大小又如何呢
首先判斷其函數(shù)表達(dá)式 看起來(lái)像拋物線 吊根線驗(yàn)證一下 畫出各點(diǎn)切線
-2.38 1
斜率
位置1.7 0.9 0.6 0 -0.6 -1 7 6 5 4 3 2
雖然存在誤差 但看來(lái)好像不是二次函數(shù) 只好計(jì)算一下 我們只關(guān)注其左半段
最低點(diǎn)處受水平向右的拉力H,左懸掛點(diǎn)處受一個(gè)斜向上的拉力T,
設(shè)T和水平方向夾角為θ,繩子一半的質(zhì)量為m,
受力分析有: Tsinθ=mg Tcosθ=H, tanθ=dy/dx=mg/H; mg= η s;
其中s是左半段繩子的長(zhǎng)度,η是繩子密度,
dy/dx=η s/H; s=∫√(1+dy^2/dx^2)*dx;
所以dy/dx= η ∫√(1+dy^2/dx^2)*dx/H 令p=dy/dx
p'= (η/H)*√(1+p^2)=dp/dx 得∫dp/√(1+p^2)=∫η/H*dx
得ln[p+√(1+p^2)]=ηx/H+C 當(dāng)x=0時(shí) dy/dx=p=0 得C=0
整理得ln[p+√(1+p^2)]=ηx/H 1+p^2=e^(2ηx/H)-2pe^(ηx/H)+p^2
即p=[e^(ηx/H)-e^(-ηx/H)]/2=dy/dx 得y=H/(2η)*[e^(ηx/H)+e^(-ηx/H)]
令a=H/η 則y=a* [e^(x/a)+e^(-x/a)]/2= a*cosh(x/a).
這樣懸鏈線的坐標(biāo)方程就確定了
由tanθ=dy/dx=mg/H=η s/H 和p=[e^(ηx/H)-e^(-ηx/H)]/2=dy/dx
可知 s=(H/η)[e^(ηx/H)-e^(-ηx/H)]/2=ash(x/a)
于是現(xiàn)有等式
Tsinθ=mg Tcosθ=H tanθ=dy/dx=mg/H=ηs/H
p=[e^(ηx/H)-e^(-ηx/H)]/2=sh(x/a) s=(H/η)[e^(ηx/H)-e^(-ηx/H)]/2=ash(x/a)
即 已知懸鏈線的線密度η 質(zhì)量m 長(zhǎng)度s中的任意兩個(gè)和兩懸點(diǎn)間的距離2x0
便可以知道全部信息
分析:
對(duì)于一條懸鏈線 Q(x0) 若截取-x1~x1 的部分將兩端點(diǎn)改為新的懸點(diǎn) 且位置不變 則這部分懸鏈線的形狀不變 各點(diǎn)張力不變 而此時(shí)懸點(diǎn)所受的力T(x1)等于原狀態(tài)時(shí)x1處繩子的張力
所以要求繩子各處張力只需先通過(guò)測(cè)量計(jì)算確定a的值
再求各點(diǎn)張力即可
謝謝