воскресенье, 23 декабря 2012 г.

[Физика билет 4] Свободное падение. Движение тела, брошенного под углом к горизонту. Уравнения движения и графики x(t), y(t), vx(t), vy(t), ax(t), ay(t). Уравнение траектории y(x). Максимальная высота, время и дальность полета.

Свободное падение.

Свобо́дное падéние — равноускоренное движение, под действием силы тяжести. На поверхности Земли, на уровне моря, ускорение свободного падения меняется от 9,81 м/с² на полюсах до 9,78 м/с² на экваторе.


Движение тела, брошенного под углом к горизонту.
Уравнения движения и графики x(t), y(t), vx(t), vy(t), ax(t), ay(t)

Уравнение траектории y(x). Максимальная высота, время и дальность полета.


Если тело бросить под углом к горизонту, то в полете на него действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Если силой сопротивления пренебречь, то остается единственная сила – сила тяжести. Поэтому вследствие 2-го закона Ньютона тело движется с ускорением, равным ускорению свободного падения ; проекции ускорения на координатные оси равны ах = 0, ау = -g.
Любое сложное движение материальной точки можно представить как наложение независимых движений вдоль координатных осей, причем в направлении разных осей вид движения может отличаться. В нашем случае движение летящего тела можно представить как наложение двух независимых движений: равномерного движения вдоль горизонтальной оси (оси Х) и равноускоренного движения вдоль вертикальной оси (оси Y) (рис. 1).
Проекции скорости тела, следовательно, изменяются со временем следующим образом:
,
где  – начальная скорость, α – угол бросания.
Координаты тела, следовательно, изменяются так:
При нашем выборе начала координат начальные координаты  (рис. 1) Тогда
(1)
Проанализируем формулы (1). Определим время движения брошенного тела. Для этого положим координату равной нулю, т.к. в момент приземления высота тела равна нулю. Отсюда получаем для времени полета: 
.(2)
Второе значение времени, при котором высота равна нулю, равно нулю, что соответствует моменту бросания, т.е. это значение также имеет физический смысл.
Дальность полета получим из первой формулы (1). Дальность полета – это значение координаты х в конце полета, т.е. в момент времени, равный t0. Подставляя значение (2) в первую формулу (1), получаем:
.(3)
Из этой формулы видно, что наибольшая дальность полета достигается при значении угла бросания, равном 45 градусов.
Наибольшую высоту подъема брошенного тела можно получить из второй формулы (1). Для этого нужно подставить в эту формулу значение времени, равное половине времени полета (2), т.к. именно в средней точке траектории высота полета максимальна. Проводя вычисления, получаем
.(4)
Из уравнений (1) можно получить уравнение траектории тела, т.е. уравнение, связывающее координаты х и у тела во время движения. Для этого нужно из первого уравнения (1) выразить время:
и подставить его во второе уравнение. Тогда получим:
.
Это уравнение является уравнением траектории движения. Видно, что это уравнение параболы, расположенной ветвями вниз, о чем говорит знак «-» перед квадратичным слагаемым. Следует иметь в виду, что угол бросания α и его функции – здесь просто константы, т.е. постоянные числа.