ПЕРВЫЙ СПОСОБ :::
Рассмотрим обычную гуковскую пружину длины
и жёсткостью
деформацию которой обозначим, как
Тогда возникающая сила упругости при её деформации будет выражаться обычным законом Гука:
Рассмотрим некоторое состояние [1] :
и некоторое состояние [2] :
При вычитании этих уравнений получим, что для двух любых состояний верно, что:
Т.е. изменение силы действующей со стороны любой гуковской пружины пропорционально изменению её деформации с противоположным знаком, через её собственную жёсткость.
В нашем случае, в состоянии равновесия
– все силы, действующие на груз, взаимно скомпенсированы. При изменении положения груза на
0 \ , " alt=" z > 0 \ , " align="absmiddle" class="latex-formula"> (т.е. вверх), растяжение нижней пружины (down) увеличится, а значит её сила, действующая на груз вниз – тоже увеличится по модулю. В проективном виде это изменение выразится, как:
– это символизирует увеличение отрицательной (направленной вниз) величины силы нижней пружины.
В то же время, при изменении положения груза на
0 \ , " alt=" z > 0 \ , " align="absmiddle" class="latex-formula"> (вверх), растяжение верхней пружины (up) уменьшится, а значит её сила, действующая на груз вверх – тоже уменьшится по модулю. В проективном виде это изменение выразится, как:
– это символизирует уменьшение положительной (направленной вверх) величины силы верхней пружины.
Общее изменение силы составит (сила тяжести не изменится):
При этом, поскольку в начальном состоянии действие всех сил было скомпенсировано, т.е. равнодействующая была равна нулю, то, стало быть, при смещении груза на
общая сила, действующая со стороны системы пружин – будет как раз и равна изменению действующих сил:
(рассуждения для отрицательного смещения производятся аналогично)
А такая зависимость силы от смещения – эквивалентна системе груза и одной пружины с жёсткостью, равной сумме исходных жёсткостей. Стало быть:
где
– масса шарика.
ВТОРОЙ СПОСОБ :::
Пусть начальные растяжения пружин:
(нижней), и
(верхней). При этом положим вертикальное положение груза
Ось
направлена вверх.
Запишем закон сохранения энергии для произвольного положения груза:
Продифференцируем уравнение по времени:
Заметим, что в начальном положении, действие всех сил скомпенсировано:
(сила только верхней пружины положительна, т.к. направлена вверх)
Итак:
А такая зависимость силы от смещения – эквивалентна системе груза и одной пружины с жёсткостью, равной сумме исходных жёсткостей. Стало быть:
где
– масса шарика.
ТРЕТИЙ СПОСОБ :::
Зафиксируем груз. Демонтируем нижнюю пружину. Прикрепим нижнюю пружину тоже свреху (!) груза, закрепив её на таком вертикальном расстоянии от груза, чтобы при отпускании груза – он остался бы в равновесии.
Сборка окажется эквивалентной, поскольку изначально верхняя пружина будет работать, как прежде. А перемещённая пружина при поднятии груза будет толкать груз вниз с таким же коэффициентом упругости, с которым она тянула бы его вниз, будучи снизу. С противоположным смещением – то же самое.
Обе пружины при такой эквивалентной сборке будут работать в параллельном режиме, как хорошо известно, с суммарной жёсткостью:
Итак:
где
– масса шарика.
ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЁТ :::
Н/см
Н
см
Н
м
Н/м ;
Н/см <img src="
https://tex.z-dn.net/?f=+%