Question Number 212593 by mr W last updated on 18/Oct/24
Commented by mr W last updated on 18/Oct/24
$${a}\:{more}\:{general}\:{case}\:{from}\:{Q}\mathrm{212514} \\ $$
Answered by mr W last updated on 19/Oct/24
Commented by mr W last updated on 20/Oct/24
$${F}=\frac{{kq}_{\mathrm{1}} {q}_{\mathrm{2}} }{{c}^{\mathrm{2}} }\:{with}\:{k}={Coulomb}\:{constant} \\ $$$${c}^{\mathrm{2}} ={a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta \\ $$$${c}_{\mathrm{1}} =\frac{{m}_{\mathrm{2}} {c}}{{m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} },\:{c}_{\mathrm{2}} =\frac{{m}_{\mathrm{1}} {c}}{{m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} } \\ $$$${c}_{\mathrm{1}} {b}^{\mathrm{2}} +{c}_{\mathrm{2}} {a}^{\mathrm{2}} ={c}\left({h}^{\mathrm{2}} +{c}_{\mathrm{1}} {c}_{\mathrm{2}} \right) \\ $$$${h}^{\mathrm{2}} =\frac{{m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} }{{m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} }−\frac{{m}_{\mathrm{1}} {m}_{\mathrm{2}} {c}^{\mathrm{2}} }{\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\frac{{F}}{{m}_{\mathrm{1}} {g}}=\frac{{c}_{\mathrm{1}} }{{h}},\:{or}\:{using}\:\frac{{F}}{{m}_{\mathrm{2}} {g}}=\frac{{c}_{\mathrm{2}} }{{h}} \\ $$$$\frac{{kq}_{\mathrm{1}} {q}_{\mathrm{2}} }{{m}_{\mathrm{1}} {gc}^{\mathrm{2}} }=\frac{{m}_{\mathrm{2}} {c}}{\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)\sqrt{\frac{{m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} }{{m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} }−\frac{{m}_{\mathrm{1}} {m}_{\mathrm{2}} {c}^{\mathrm{2}} }{\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }}} \\ $$$$\frac{{kq}_{\mathrm{1}} {q}_{\mathrm{2}} \left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)}{{m}_{\mathrm{1}} {m}_{\mathrm{2}} {g}}=\mu=\frac{{c}^{\mathrm{3}} }{\:\sqrt{\frac{{m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} }{{m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} }−\frac{{m}_{\mathrm{1}} {m}_{\mathrm{2}} {c}^{\mathrm{2}} }{\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }}} \\ $$$$\mu^{\mathrm{2}} =\frac{{c}^{\mathrm{6}} }{\:\frac{{m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} }{{m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} }−\frac{{m}_{\mathrm{1}} {m}_{\mathrm{2}} {c}^{\mathrm{2}} }{\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }} \\ $$$${c}^{\mathrm{6}} +\frac{\mu^{\mathrm{2}} {m}_{\mathrm{1}} {m}_{\mathrm{2}} }{\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }{c}^{\mathrm{2}} −\frac{\mu^{\mathrm{2}} \left({m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right)}{{m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} }=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow{c}^{\mathrm{2}} =\sqrt[{\mathrm{3}}]{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)}\left[\sqrt{\left({m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{4}\mu^{\mathrm{2}} {m}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}} {m}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{3}} }{\mathrm{27}\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{4}} }}+{m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right]}−\sqrt[{\mathrm{3}}]{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)}\left[\sqrt{\left({m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{4}\mu^{\mathrm{2}} {m}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}} {m}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{3}} }{\mathrm{27}\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{4}} }}−{m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} −{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right]} \\ $$$$\Rightarrow{a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta=\sqrt[{\mathrm{3}}]{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)}\left[\sqrt{\left({m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{4}\mu^{\mathrm{2}} {m}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}} {m}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{3}} }{\mathrm{27}\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{4}} }}+{m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right]}−\sqrt[{\mathrm{3}}]{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)}\left[\sqrt{\left({m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{4}\mu^{\mathrm{2}} {m}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}} {m}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{3}} }{\mathrm{27}\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{4}} }}−{m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} −{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right]} \\ $$$$\Rightarrow\theta=\mathrm{cos}^{−\mathrm{1}} \left\{\frac{{a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} −\sqrt[{\mathrm{3}}]{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)}\left[\sqrt{\left({m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{4}\mu^{\mathrm{2}} {m}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}} {m}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{3}} }{\mathrm{27}\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{4}} }}+{m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right]}+\sqrt[{\mathrm{3}}]{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)}\left[\sqrt{\left({m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} +{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{4}\mu^{\mathrm{2}} {m}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}} {m}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{3}} }{\mathrm{27}\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{4}} }}−{m}_{\mathrm{1}} {a}^{\mathrm{2}} −{m}_{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} \right]}}{\mathrm{2}{ab}}\right\} \\ $$
Commented by ajfour last updated on 20/Oct/24
$${too}\:{meticulously}\:{done}! \\ $$