Как найти минимальную горизонтальную скорость

Условие задачи:

Минимальная скорость при движении тела, брошенного под углом к горизонту, равна 5 м/с, а максимальная 10 м/с. Определить угол, под которым брошено тело.

Задача №1.6.4 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

(v_{min}=5) м/с, (v_{max}=10) м/с, (alpha-?)

Решение задачи:

Сделаем изображение к задаче, смотрите его справа.

Для объяснения решения я буду использовать следующий факт, что в любой момент времени скорость тела можно разложить на составляющие, тогда самую разлагаемую скорость можно найти по теореме Пифагора:

[v = sqrt {v_x^2 + v_y^2} ]

Теперь вспомним тот факт, что при движении тела, брошенного под углом к горизонту, горизонтальная составляющая скорости (v_x) не изменяется, поскольку движение вдоль (x) является равномерным (вдоль этой оси не действуют силы), а вертикальная составляющая скорости (v_y) меняется от максимального в момент бросания до нуля в наивысшей точке, и обратно. Причем в момент падения на землю обе составляющие (а значит и сама скорость) будут такими же, как при бросании (если, конечно же, принимать поверхность земли плоской, как у нас на рисунке).

Получается, что если скорость определяется приведенной выше формулой, то минимальное значение она примет в наивысшей точке, когда (v_y=0) м/с, а максимальное – в момент бросания и падения обратно на поверхность земли.

[left[ begin{gathered}
{v_{min }} = {v_x} = {v_{ox}} hfill \
{v_{max }} = {v_0} hfill \
end{gathered} right.]

Взглянув на рисунок, можно увидеть, что угол между векторами, соответствующими этим скоростям, и есть угол бросания тела. Для этого прямоугольного треугольника косинус угла (alpha) определяется по следующей формуле.

[cos alpha  = frac{{{v_{0x}}}}{{{v_0}}},cos alpha  = frac{{{v_{min }}}}{{{v_{max }}}} Rightarrow alpha  = arccos frac{{{v_{min }}}}{{{v_{max }}}}]

Подставим известные данные и получим ответ:

[alpha  = arccos frac{5}{{10}} = 60^circ ]

Ответ: 60°.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Если Вам понравилась задача и ее решение, то Вы можете поделитесь ею с друзьями с помощью этих кнопок.

Смотрите также задачи:

1.6.3 Камень, брошенный с земли под углом 45 градусов к горизонту
1.6.5 На некоторой высоте одновременно из одной точки брошены
1.6.6 Под каким углом к горизонту нужно бросить тело, чтобы высота

Шар подвешен на невесомой нерастяжимой нити длиной l = 0,5 м. Какую минимальную горизонтально направленную скорость v_o надо сообщить шару, чтобы он сделал полный оборот в вертикальной плоскости?

Эта задача была размещена посетителями в разделе Решаем вместе 25 мая 2007 года.

Решение:

Воспользуемся законом сохранения механической энергии при переходе шарика из нижнего положения в верхнее:

где l — длина подвеса или нерастяжимой нити.

В верхней точке на шарик будут действовать 2 силы: сила тяжести mg (направлена вниз) и сила натяжения нити T (также направлена вниз). Эти силы сообщают шарику центростремительное ускорение, направленное вниз — к точке подвеса:

ma_ц = mg + T

Поскольку шарик достиг верхней точки (T = 0, условие задачи), то

отсюда

v² = gl    (2).

Сделаем подстановку (2) в (1), получим

v_o² = g4l + gl = 5gl.

v_o = √(5gl)

Выполнив вычисления, получим: v_o = √(5×10×0,5) = 5 (м/с).

Примечание: если шар подвешен на жестком стержне, то в верхней точке скорость v может обратиться в нуль, тогда из (1)

v_o² = 4gl,

v_o = √(4gl) = 2√(gl)

Рассмотрим тело, брошенное под углом к горизонту. Пусть сопротивление воздуха будет очень малой величиной, такой малой, что мы сможем ей пренебречь.

Благодаря силе притяжения земли тело часть пути будет подниматься над поверхностью, а часть – опускаться к поверхности. Траектория полета такого тела – это парабола (рис. 1).

Разложим скорость тела

Вместо того, чтобы рассматривать сложное движение одного тела по параболе, будем рассматривать одновременное и более простое движение двух тел. Одно тело движется по вертикали, а второе – по горизонтали. Тела одновременно стартуют и заканчивают движение.

Мы сможем сложное движение разделить на два простых, как только разложим на проекции скорость тела. Полученные скорости будем рассматривать, как скорости отдельно двигающихся тел.

Любой вектор, направленный под углом к осям, можно разложить на проекции — вертикальную и горизонтальную (рис. 2).

Формулы разложения скорости выглядят так:

[ large boxed{ begin{cases} v_{0y}  = v cdot sin(alpha) \ v_{0x}  = v cdot cos(alpha) end{cases} } ]

Вертикальная и горизонтальная проекции скорости

Обратим внимание теперь на рисунок 3.

На рисунке черным цветом обозначен вектор скорости летящего тела. Видно, что от точки к точке он изменяется не только по модулю, но и по направлению. То есть, меняются характеристики вектора.

Вектор, обозначенный синим цветом на рисунке – это горизонтальная проекция вектора скорости. Заметно, что горизонтальная часть скорости не меняется ни по длине, ни по направлению, то есть, остается постоянной (одной и той же).

Вертикальная проекция скорости обозначена на рисунке красным цветом. При движении вверх она уменьшается, а при движении вниз – растет.

В самой высокой точке траектории вертикальная проекция скорости превращается в ноль. Из-за этого в верхней точке скорость направлена только горизонтально и равна числу ( v_{0x}). Число ( v_{0x}) – это горизонтальная проекция начальной скорости ( v_{0}) тела.

Упростить сложное движение тела на плоскости можно, рассматривая отдельно движение двух тел: одно тело движется по вертикали, меняя свою скорость, а второе – по горизонтали и, скорость свою не меняет.

Из рисунка 3 так же, следует, что

если тело при падении вернется на уровень, с которого оно стартовало, то:

1. скорость, с которой мы подбросим тело, по модулю будет равна скорости, с которой тело упадет;
2. угол (alpha) между скоростью тела на старте и осью Ox будет равен углу между конечной скоростью и горизонталью;
3. время подъема равняется времени спуска;

Запишем теперь формулы, описывающие движение тела, под углом к горизонту. Разделим движение тела на две части: подъем и спуск. Вертикальное движение тела происходит под действием силы тяжести.

Подъем

Когда тело поднимается, оно проходит вертикальный путь (h):

[ large h  = v_{0y} cdot t_{text{вверх}} — g cdot  frac{t_{text{вверх}}^2}{2} ]

Вертикальная часть скорости уменьшается – движение равнозамедленное:

[ large v_{y}  = v_{0y} — g cdot t_{text{вверх}} ]

Горизонтальная часть скорости остается такой же, как была в начале пути.

[ large v_{x}  = v_{0x} ]

Поэтому вдоль горизонтали движение равномерное, т. е. происходит с неизменной скоростью

[ large S_{1} = v_{0x} cdot t_{text{вверх}}]

Эти формулы можно записать в виде системы:

[ large boxed{ begin{cases} v_{y}  = v_{0y} — g cdot t_{text{вверх}} \ h  = v_{0y} cdot t_{text{вверх}} — g cdot  frac{t_{text{вверх}}^2}{2} \ S_{1} = v_{0x} cdot t_{text{вверх}} end{cases} } ]

На максимальной высоте траектории скорость имеет только горизонтальную проекцию (вертикальной скорости нет, скорость только горизонтальная).

[ large boxed{ begin{cases} h  = h_{max} \ v_{y}  = 0 \ v = v_{0x} end{cases} } ]

Спуск

При спуске, вертикальная проекция скорости растет – движение равноускоренное

[ large v_{y}  = 0 + g cdot t_{text{вниз}} ] ,

Тело спускается, вертикальное перемещение можно найти из соотношения

[ large h  = g cdot  frac{t_{text{вниз}}^2}{2} ]

Горизонтальная часть скорости – все так же, меняться не будет. Поэтому движение вдоль горизонтали происходит с неизменной скоростью и тело проходит вторую часть горизонтального пути

[ large S_{2} = v_{0x} cdot t_{text{вниз}} ]

Объединим эти формулы в систему

[ large boxed{ begin{cases} v_{y}  = 0 + g cdot t_{text{вниз}} \ h  = g cdot  frac{t_{text{вниз}}^2}{2} \ S_{2} = v_{0x} cdot t_{text{вниз}} end{cases} } ]

После того, как мы найдем время подъема и время спуска, можем найти общий путь по горизонтали:

[ large boxed{ S = S_{1} + S_{2} = v_{0x} cdot  left(t_{text{вверх}} + t_{text{вниз}} right)}]

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.