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Contests/Gnit Standard Open 010 (GSO010)/Problem 7 ばね付き質量端が自由端へ変わる角振動数
Problem 7

ばね付き質量端が自由端へ変わる角振動数

Finished
300 ptsLv.5 ElementaryWaves
2026/08/30 21:00〜2026/08/30 22:30
Author: エステル

問題文

線密度 ρ\rhoρ、張力 SSS の一様な弦が x<0x<0x<0 の領域に存在し、原点で質量 mmm の小環に結ばれている。小環は yyy 軸に沿ったガイド上を摩擦なく動く。重力と空気抵抗は無視する。

弦の変位を y(x,t)y(x,t)y(x,t) とする。微小変位の範囲では、小環が弦から受ける力の yyy 成分は、

−S∂y∂x(0,t)-S\frac{\partial y}{\partial x}(0,t)−S∂x∂y​(0,t)

と近似できるものとする。

小環にはさらに、ばね定数 KKK の軽いばねが取り付けられている。小環が原点から yyy 方向に変位すると、ばねは小環を原点へ戻す向きに復元力を及ぼす。

x<0x<0x<0 から角振動数 ω\omegaω の正弦波を入射させ、十分時間が経過した後の定常的な振動を考える。

ある角振動数 ω0\omega_0ω0​ では、小環の振動振幅が 000 ではないにもかかわらず、

∂y∂x(0,t)=0\frac{\partial y}{\partial x}(0,t)=0∂x∂y​(0,t)=0

がすべての時刻で成立し、弦から見ると境界が完全な自由端として振る舞った。

この角振動数 ω0\omega_0ω0​ を mmm と KKK を用いて求めよ。

さらに、比較のために与えられた角振動数 Ω\OmegaΩ に対して、

R=ω02Ω2R=\frac{\omega_0^2}{\Omega^2}R=Ω2ω02​​

を求める。RRR を既約分数 p/qp/qp/q と表す。

制約

  • m=1.60×10−2 kgm=1.60\times10^{-2}\,\mathrm{kg}m=1.60×10−2kg
  • K=180 N/mK=180\,\mathrm{N/m}K=180N/m
  • Ω=120 rad/s\Omega=120\,\mathrm{rad/s}Ω=120rad/s

入力形式

p+qp+qp+q を自然数で入力せよ。

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