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懸鏈線與雙曲函數(shù)、反雙曲函數(shù)(1)

2022-02-07 10:03 作者:匆匆-cc  | 我要投稿

????## 寫在最前面:這是一道物競(jìng)題,培訓(xùn)時(shí)做到,現(xiàn)回憶起,和雙曲函數(shù)、反雙曲函數(shù)一起講解。

????????懸鏈線:一根密度均勻的繩子或鐵鏈兩端固定在水平桿上,受重力作用自然下垂后形成的曲線。

????????下面我們來(lái)求解懸鏈線方程。

????????為方便起見,認(rèn)為繩子(當(dāng)然也可以是鐵鏈,下略)兩端固定在同一高度上。(事實(shí)上,如果不在同一高度,結(jié)果也是類似的,只不過是其一部分罷了)同時(shí),設(shè)繩子最低處為坐標(biāo)原點(diǎn)。

????????為方便求解,引入以下參數(shù)。

????????????%5Clambda:繩子線密度

????????????g:重力加速度

????????????%5Ctheta:懸鏈線切線與水平面夾角,如圖所示

????????顯然,我們需要研究繩子微元。

????????考察橫坐標(biāo)為x處,長(zhǎng)度為dl的繩子微元,則其所受重力為%5Clambda%20g%20dl。對(duì)繩子進(jìn)行受力分析,如圖所示

????????注意:我們并不在意繩子張力究竟是多少,我們只是在意繩子張力的差值是多少。

????????根據(jù)受力平衡,得到

dT_x%3D0

T_x%3Da

dT_y%3D%5Clambda%20gdl%3D%5Clambda%20gdx%5Csqrt%7B1%2By'%5E2%7D

%5Cfrac%7BdT_y%7D%7Bdx%7D%3D%5Clambda%20g%5Csqrt%7B1%2By'%5E2%7D

????????兩式相除,得到

%5Cfrac%7BdT_y%7D%7BT_x%7D%3D%5Cfrac%7B%5Clambda%20gdx%5Csqrt%7B1%2By'%5E2%7D%7D%7Ba%7D

????????根據(jù)角度關(guān)系,有

%5Cfrac%7BT_y%7D%7BT_x%7D%3D%5Ctan%5Ctheta%3Dy'

????????此處T_x為常量,因而有

dT_y%3Dd(T_xy')%3DT_xdy'%3DT_xy''dx

%5Cfrac%7BdT_y%7D%7BT_x%7D%3Dy''dx

????????于是得到

%5Cfrac%7B%5Clambda%20gdx%5Csqrt%7B1%2By'%5E2%7D%7D%7Ba%7D%3Dy''dx

%5Cfrac%7B%5Clambda%20g%5Csqrt%7B1%2By'%5E2%7D%7D%7Ba%7D%3Dy''

????????這是核心的微分方程。

????????下面開始解微分方程。

%5Cfrac%7B%5Clambda%20g%5Csqrt%7B1%2By'%5E2%7D%7D%7Ba%7D%3D%5Cfrac%7Bd(y')%7D%7Bdx%7D

%5Cfrac%7B%5Clambda%20g%7D%7Ba%7Ddx%3D%5Cfrac%7Bdy'%7D%7B%5Csqrt%7B1%2By'%5E2%7D%7D

????## 分離變量

%5Cint%5Cfrac%7B%5Clambda%20g%7D%7Ba%7Ddx%3D%5Cint%5Cfrac%7Bdy'%7D%7B%5Csqrt%7B1%2By'%5E2%7D%7D

????## 兩邊積分

????????根據(jù)積分公式

%5Cint%5Cfrac%7Bdx%7D%7B%5Csqrt%7Bx%5E2%2B1%7D%7D%3D%5Coperatorname%7Barsinh%7D%20x%2BC

????## 這里面的%5Ccolor%7Bgray%7D%7B%5Coperatorname%7Barsinh%20%7Dx%7D叫做反雙曲正弦函數(shù),后面的專題中會(huì)提到。

????????我們得到

%5Cfrac%7B%5Clambda%20g%7D%7Ba%7Dx%3D%5Coperatorname%7Barsinh%7Dy'%2BC

y'%3D%5Csinh(%5Cfrac%7B%5Clambda%20g%7D%7Ba%7Dx-C)

? ? ## 這里面的%5Ccolor%7Bgray%7D%7B%5Csinh%20x%7D叫做雙曲正弦函數(shù),后面的專題中會(huì)提到。

????????根據(jù)x%3D0y'%3D0,我們得到

C%3D0

????????故

y'%3D%5Csinh%5Cfrac%7B%5Clambda%20g%7D%7Ba%7Dx

dy%3D%5Csinh%5Cfrac%7B%5Clambda%20g%7D%7Ba%7Dxdx

? ? ## 分離變量

%5Cint%20dy%3D%5Cint%5Csinh%5Cfrac%7B%5Clambda%20g%7D%7Ba%7Dxdx

? ? ## 兩邊積分

????????根據(jù)積分公式

%5Cint%20%5Csinh%20x%3D%5Cint%5Ccosh%20x%2BC

? ? ? ? 我們得到

y%3D%5Cfrac%7Ba%7D%7B%5Clambda%20g%7D%5Ccosh%5Cfrac%7B%5Clambda%20g%7D%7Ba%7Dx%2BC'

????????根據(jù)x%3D0y%3D0,我們得到

C'%3D-%5Cfrac%7Ba%7D%7B%5Clambda%20g%7D

????????故

y%3D%5Cfrac%7Ba%7D%7B%5Clambda%20g%7D%5Cleft(%5Ccosh%5Cfrac%7B%5Clambda%20g%7D%7Ba%7Dx-1%5Cright)

????????這里的a仍然為未確定的參數(shù),取決于繩長(zhǎng)和兩懸掛點(diǎn)間距。



懸鏈線與雙曲函數(shù)、反雙曲函數(shù)(1)的評(píng)論 (共 條)

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