2. Составление дифференциального уравнения по условию физической задачи.

Решение задач физики или механики с помощью дифференциальных уравнений распадается в соответствии со сказанным в п. 1 на следующие этапы:

а) составление дифференциального уравнения;

б) решение этого уравнения;

в) исследование полученного решения.

При этом рекомендуется следующая последовательность действий:

1. Установить величины, изменяющиеся в данном явлении, и выявить физические законы, связывающие их.

2. Выбрать независимую переменную и функцию этой переменной, которую мы хотим найти.

3. Исходя из условий задачи, определить начальные или краевые условия.

4. Выразить все фигурирующие в условии задачи величины

через независимую переменную, искомую функцию и ее производные.

5. Исходя из условий задачи и физического закона, которому подчиняется данное явление, составить дифференциальное уравнение.

6. Найти общее решение или общий интеграл дифференциального уравнения.

7. По начальным или краевым условиям найти частное решение.

8. Исследовать полученное решение.

Во многих случаях составление дифференциального уравнения первого порядка основывается на так называемой «линейности процесса в малом», т. е. на дифференцируемости функций, выражающих зависимость величин. Как правило, можно считать, что все участвующие в том или ином процессе величины в течение малого промежутка времени изменяются с постоянной скоростью. Это позволяет применить известные из физики законы, описывающие равномерно протекающие явления, для составления соотношения между значениями , т. е. величинами, участвующими в процессе, и их приращениями. Получающееся равенство имеет лишь приближенный характер, поскольку величины меняются даже за короткий промежуток времени, вообще говоря, неравномерно. Но если разделить обе части получившегося равенства на и перейти к пределу, когда стремится к нулю, получится точное равенство. Оно содержит время t, меняющиеся с течением времени физические величины и их производные, т. е. является дифференциальным уравнением, описывающим данное явление. То же самое уравнение в дифференциальной форме можно получить, заменив приращение на дифференциал , а приращение функций — соответствующими дифференциалами.

Таким образом, при составлении дифференциального уравнения мы делаем как бы «мгновенный снимок» процесса

Рис. 2

в данный момент времени, а при решении уравнения по этим мгновенным снимкам восстанавливаем течение процесса. Итак, в основе решения физических задач с помощью дифференциальных уравнений лежит общая идея линеаризации — замены функций на малых промежутках изменения аргумента линейными функциями. И хотя встречаются процессы (например, броуновское движение), для которых линеаризация невозможна, потому что не существует скорости изменения некоторых величин в данный момент времени, в подавляющем большинстве случаев метод дифференциальных уравнений действует безотказно.

Пример 1. В дне цилиндрического сосуда, наполненного водой и имеющего высоту Н и радиус основания R, сделано небольшое отверстие площади 5 (рис. 2). За какой промежуток времени через отверстие вытечет вся вода, если треть воды вытекает за ?

Решение. Если бы истечение воды происходило равномерно, то решить задачу не представляло бы никаких затруднений — вся вода вытечет за 3 с. Но наблюдения показывают, что сначала вода вытекает быстро, а по мере снижения уровня воды в сосуде скорость ее истечения уменьшается. Поэтому надо учесть зависимость между скоростью истечения v и высотой h столба жидкости над отверстием. Проведенные итальянским физиком Торричелли эксперименты показали, что скорость v приближенно выражается формулой , где g — ускорение свободного падения и k — «безразмерный» коэффициент, зависящий от вязкости жидкости и формы отверстия (например, для воды в случае круглого отверстия .

Сделаем «мгновенный снимок» процесса истечения за промежуток времени Пусть в начале этого промежутка высота жидкости над отверстием равнялась , а в конце его она понизилась и стала , где - «приращение» высоты (которое, очевидно, отрицательно). Тогда объем жидкости, вытекшей из сосуда, равен объему цилиндра с высотой и площадью основания т. е. .

Эта жидкость вылилась в виде цилиндрической струйки, имеющей площадь основания S. Ее высота равна пути, пройденному вытекающей из сосуда жидкостью за промежуток времени . В начале этого промежутка времени скорость истечения равнялась по закону Торричелли а в конце его она равнялась .

Если весьма мало, то тоже очень мало и потому полученные выражения для скорости почти одинаковы. Поэтому путь, пройденный жидкостью за промежуток времени выражается формулой

где . Значит, объем вылившейся за промежуток времени жидкости вычисляется по формуле

Мы получили два выражения для объема жидкости, вылившейся из сосуда за промежуток времени Приравнивая эти выражения, получаем уравнение

Недостатком уравнения (1) является то, что нам неизвестно выражение для а. Чтобы устранить этот недостаток, разделим обе части уравнения (1) на и перейдем к пределу при Поскольку , получаем дифференциальное уравнение

Физики обычно рассуждают короче. Они исследуют процесс в течение «бесконечно малого промежутка времени и считают, что за промежуток времени не изменяется скорость истечения жидкости из сосуда. Поэтому вместо приближенного уравнения (1) они получают точное уравнение

которое является не чем иным, как дифференциальной формой уравнения (2).

Чтобы решить получившееся уравнение, разделим переменные и обозначим для краткости дробь через А. Интегрируя обе части получившегося уравнения получим ответ в виде

Мы получили зависимость между t и , в которую входят две постоянные А и С. Постоянная А зависит от размеров и формы отверстия, вязкости жидкости и других

физических параметров, а постоянная С возникла в ходе решения задачи. Их значения нам неизвестны, но их можно найти, учитывая не использованные еще условия задачи.

Сначала найдем значение С. Для этого используем начальные условия. По условию задачи в начале истечения сосуд был наполнен, т. е. высота столба жидкости равнялась . Иными словами, при имеем: . Подставляя в формулу (3) значения получаем: и потому Поэтому равенство (3) можно переписать в виде

Чтобы найти значение А, вспомним, что за первые мин вытекла треть всей жидкости. Этому соответствует понижение уровня жидкости на . Иными словами, при имеем: . Отсюда находим, что

И потому

Теперь уже легко найти время опорожнения сосуда: нам надо найти такое значение t, при котором :

Полученное значение раз больше значения , которое получилось в предположении, что жидкость вытекает равномерно.

Разумеется, и это решение не является безукоризненно точным — мы пренебрегли, например, явлениями

капиллярности (а они существенны, если диаметр отверстия мал), завихрениями жидкости, так называемым пограничным слоем (слоем жидкости вблизи стенок отверстия, на котором происходит переход значений скорости от нуля до и) и многими иными факторами. Но все же оно точнее, чем решение, основанное на предположении о равномерности истечения жидкости.

Исследуем в заключение полученное решение. Для этого подставим в равенство (4) значение , найдем и получим, что

Ясно, что, чем больше значения R и Н (размеры сосуда), тем дольше будет вытекать из него жидкость, как это и следует из полученного ответа. Далее, чем больше S, т. е. площадь отверстия, тем быстрее вытечет жидкость из сосуда. В том же направлении действует и увеличение ускорения g, а также коэффициента к (чем больше к, тем больше скорость истечения жидкости по формуле Бернулли).

Таким образом, полученная формула выдержала «испытание на здравый смысл». Ее надо еще испытать на размерность. Заметим, что в формуле Бернулли коэффициент k безразмерен и потому имеем:

Рис. 3

Проведенный контроль подтверждает, что задача решена правильно.

Во многих случаях составление дифференциального уравнения по условию задачи облегчается тем, что соответствующий закон физики связывает между собой значения некоторой величины и скорости ее изменения либо связывает друг с другом значения величины, скорости ее изменения и ускорения.

Пример 2. Парашютист падает под действием силы тяжести. Найдем закон изменения высоты парашютиста над уровнем земной поверхности, если сопротивление воздуха пропорционально скорости его падения, а в начале падения он находился на высоте Я, причем был в состоянии покоя.

Решение. По второму закону Ньютона имеем: . Если выбрать направление координатной оси так, как показано на рисунке 3, то (сила тяжести направлена в отрицательном направлении, а сила сопротивления воздуха направлена в сторону, противоположную скорости падения). Поэтому равенство принимает вид: Так как ускорение является производной от скорости , то получаем дифференциальное уравнение , т. е.

Начальное условие имеет вид: (начальная скорость падения равна нулю).

Разделяя переменные в уравнении (5) и интегрируя, получим:

откуда

Так как при имеем: , то и потому

или

Отсюда находим:

Мы получили закон изменения скорости с течением времени. Найдем теперь закон изменения высоты А парашютиста. Для этого заметим, что , и потому получаем дифференциальное уравнение

Из него вытекает, что

По условию при имеем: . Подставляя эти значения в (8), получаем, что и потому

При малых значениях t имеем:

Сохраняя лишь первые два слагаемых, получаем из формулы (7), что Это показывает, что в начале падения парашютист движется почти равноускоренно. Однако в дальнейшем влияние сопротивления воздуха становится ощутимым, и при имеем: потому стремится к . Иными словами, движение становится почти равномерным со скоростью направленной вниз. Эта скорость пропорциональна силе тяжести действующей на парашютиста, и обратно пропорциональна

коэффициенту k, показывающему силу сопротивления воздуха.

Из формулы (9) можно приближенно найти время, за которое парашютист упадет на земную поверхность. Для этого учтем, что и напишем по формуле (9) приближенное равенство Из него находим, что Заметим, что слагаемое равно времени, которое заняло бы падение парашютиста , с постоянной скоростью а добавка — произошла потому, что вначале падение было более медленным.

Замечание. Сделанное при решении задачи предположение о пропорциональности силы сопротивления воздуха скорости падения само было весьма приближенным. Иной ответ получится, если считать эту силу пропорциональной квадрату скорости падения. В этом случае уравнение (5) заменится на

(направление силы сопротивления воздуха при выбранном направлении оси положительно). Рекомендуем читателю самостоятельно провести в этом случае выкладки до конца и сравнить ответ с полученным выше.

Пример 3. В замкнутую электрическую цепь последовательно включены источник тока с электродвижущей силой (ЭДС) , меняющейся с течением времени, активное сопротивление R и катушка с индуктивностью L. Выведем закон изменения силы тока с течением времени, если вначале она равнялась нулю.

Решение. Из курса физики известно, что , где напряжение на активном участке цепи, выражаемое по закону Ома пропорционально скорости изменения силы тока с коэффициентом пропорциональности . Тогда имеет место равенство

Мы получили дифференциальное уравнение для силы тока с начальным условием .

Данное уравнение является линейным ( входят в него в первых степенях). Решая его, находим:

Разберем два частных случая:

а) Электродвижущая сила постоянна, . В этом случае из уравнения (11) имеем:

Рис. 4

В силу начального условия откуда получим: и потому

При получаем, что е. после включения постоянной электродвижущей силы значение 1 возрастает от нуля до значения даваемого законом Ома (рис. 4).

б) Электродвижущая сила периодически изменяется по синусоидальному закону: . В этом случае из уравнения (11) имеем:

Вычисляя интеграл, получаем, что

Из начального условия находим, что и потому

С течением времени при второе слагаемое стремится к нулю, и мы получаем, что

Если положить

то это равенство можно записать в виде

Иными словами, синусоидальные колебания ЭДС дают в пределе синусоидальные колебания силы тока (со сдвигом фазы).