结构推理 将一根很长的、可忽略质量的细管安上轴,可以无摩擦地绕轴在水平面内转动,一根长为l、质量为M的细杆无摩擦地管内滑动如图所示,写出系统的拉格朗日方程;开始杆的中心位于转轴,细管以角速度旋转,证明杆在这个位置是不稳定的。将它稍微扰动一下,描述以后的运动,问经过很长时间之后,杆的径向速度和角速度各为多少(假定细管非常长,杆仍在管中):
【正确答案】解:取图中的x和为广义坐标, 拉格朗日方程为 由初始件:t=0时,,定出,代入式(2),得 将式(3)代入式(1), 用,上式可改写为 两边积分,用初始条件:时,,得 由式(1)可见,位于处,原静止的杆,因,将获得;时,,则。反之,时,,则。都将向远离平衡位置的方向运动。如在x=0处,给于一个微小的速度,则x将不等于零,有上述远离平衡位置的运动,说明x=0是一个不稳定平衡位置。 在x=0的静止状态,给予一个微扰,可用式(3)、(5),很长时间以后,不论还是,结论都是经过很长时间,杆的径向速度趋于,角速度趋于0。
【答案解析】