2. Кинетическая энергия
Зависимость кинетической энергии от массы можно отобразить на данном графике, если принять скорость тела постоянной и равной \(2 м/с\).
Рис. \(1\). График, зависимость кинетической энергии от массы
С увеличением скорости движения тела увеличивается также и его кинетическая энергия в квадратичной зависимости.
Если скорость увеличивается в \(2\) раза, тогда кинетическая энергия увеличивается в \(4\) раза.
Зависимость кинетической энергии от скорости движения можно отобразить на данном графике, если принять массу тела постоянной и равной \(2 кг\).
как найти скорость, если знаешь массу и высоту падения?
скорость в какой момент? В момент касания? Это задача на закон сохранения энергии.
В верхней точке тело обладает максимальной потенциальной энергией, но ещё не движется, поэтому кинетическая там равна нулю. В нижней точке тело уже на поверхности, поэтому потенциальная энергия ноль, а кинетическая максимальна. Значит полная энергия в первом случае равна максимальной потенциальной, а во втором максимальной кинетической.
Потенциальная вычисляется по формуле Wп = mgh, где m — масса тела, g — ускорение свободного падения (или коэффициент силы тяжести ещё можно назвать, на Земле 9,8 =примерно 10 Н/кг) , h- высота, с которой падает тело.
Кинетическая энергия вычисляется по формуле Wk = mv^2 /2, где m — масса тела, v^2 (v в квадрате) — квадрат скорости.
приравниваем
mgh = mv^2 /2
массы сократить можно, а скорость вычислить.
Остальные ответы
Массу знать необязательно. Достаточно знать высоту, с которой упало тело, и начальную скорость (если она отлична от нуля!)
Формула скорости свободного падения
Движение тела около поверхности Земли под воздействием силы тяжести называют свободным падением. При исследовании свободного падения тела, обычно силы сопротивления воздуха не учитывают.
Напомним, что величина ускорения свободного падения около поверхности Земли вычисляется как:
где $\gamma =6,67\cdot ^\frac^2>$- гравитационная постоянная; $M$ — масса Земли; $R$ — радиус Земли.
Если расстояние, с которого падает тело много меньше, чем радиус Земли ($\ h\ll R$), то ускорение свободного падения считают постоянной величиной, равной:
Кинематическое уравнение скорости при свободном падении
Свободное падение происходит с постоянным ускорением, что было установлено еще Галилеем, поэтому скорость в кинематике определяет уравнение для равнопеременного движения:
Уравнение (3) показывает изменение вектора скорости $\overline\left(t\right),$ где $<\overline>_0$ — начальная скорость движения тела.
Используя это уравнение, и зная начальные условия движения тела можно найти скорость тела относительно избранной системы отсчета для любого момента времени.
Скорость тела, брошенного под углом к горизонту
Допустим, что тело бросили под углом $\alpha $ к горизонту. Ось X системы координат направим горизонтально, ось Y перпендикулярно горизонту вверх, тогда начальные условия движения для скорости данного тела запишем как:
Это означает, что тело бросили под углом $\alpha $ к горизонту с начальной скоростью $<\overline
Формула скорости при свободном падении тела из состояния покоя
Начальные условия для скорости движения для тела, которое падает из состояния покоя, запишем так:
\[\left\< \begin v_x\left(t=0\ \right)=0, \\ v_y\left(t=0\ \right)=0 \end \right.\left(6\right).\]
В таком случае выражение (3) в проекции на ось Y, которую выберем вдоль направления движения (рис.1), тела будет выглядеть как:
В момент падения скорость тела при свободном его падении с высоты $h$ равна:
Знак минус в формуле (8) означает, что скорость падения направлена против нашей оси Y.
Отметим, что тело, брошенное вертикально вверх движется до максимальной высоты подъема столько же времени, сколько оно потом падает с этой высоты до точки бросания.
Примеры задач с решением
Задание. Тело бросили вертикально вверх. Оно вернулось в точку бросания через $t’$ секунд. Какова начальная скорость тела?\textit<>
Решение. Сделаем рисунок.
Запишем уравнение для скорости движения тела в векторном виде:
Найдем проекцию этого уравнения на ось Y:
В точке максимального подъема скорость тела равна нулю, следовательно:
Принимая во внимание, что время подъема равно времени спуска при отсутствии сил трения, имеем:
Подставим (1.4) в (1.3), имеем:
Ответ. $v_0=g\frac$
Задание. Одно тело бросили вертикально вверх с начальной скоростью равной $v_0.$ В этот же момент времени вертикально вниз с начальной скоростью $v_0$ бросили второе тело. Высота, с которой бросили это тело равно высоте максимального подъема первого тела. Какова скорость первого и второго тел в момент встречи этих двух тел? Тела считайте материальными точками, сопротивление воздуха не учитывать.
Решение. Сделаем рисунок.
За основу решения задачи примем уравнение для скорости движения тела в поле тяжести Земли:
Для первого тела уравнение (2.1) в проекции на ось Y будет иметь вид:
Уравнение скорости второго тела при его падении выглядит как:
Для решения задачи будем использовать кинематическое уравнение для перемещения тела с постоянным ускорением:
В проекции на ось Y это уравнение для первого тела, поднимающегося вверх, даст выражение:
Для второго тела при его падении в проекции на ось Y (2.4) запишется как:
Найдем время встречи тел ($t’$) из системы уравнений (2.5) и (2.6), учитывая, что при встрече тел $y_1=y_2$:
Подставим время $t’$ в уравнение (2.2) получим скорость первого тела в момент встречи:
Найдем высоту $h$, на которую способно подняться первое тело. Для этого найдем время подъема тела, зная, что в точке максимального подъема скорость тела равна нулю:
Высота подъема, она же высота с которой бросили второе тело найдётся из уравнения (2.5), если в него подставить $t_$:
Подставляя вместо $h$ правую часть уравнения (2.10) в формулу (2.8) получим скорость движения первого тела в его момент встречи со вторым телом:
Используя уравнение (2.3), подставляя в нее время встречи тел ($t’$) из (2.7), учитывая (2.10) получим скорость движения второго тела в момент встречи:
Ответ. $v_1=\fracv_0,$ $v_2=\fracv_0$
проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности
Мы помогли уже 4 430 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
Остались вопросы?
Здесь вы найдете ответы.
Свободное падение тел
Что такое свободное падение? Это падение тел на Землю при отсутствии сопротивления воздуха. Иначе говоря — падение в пустоте. Конечно, отсутствие сопротивления воздуха — это вакуум, который нельзя встретить на Земле в нормальных условиях. Поэтому мы не будем брать силу сопротивления воздуха во внимание, считая ее настолько малой, что ей можно пренебречь.
Ускорение свободного падения
Проводя свои знаменитые опыты на Пизанской башне Галилео Галилей выяснил, что все тела, независимо от их массы, падают на Землю одинаково. То есть, для всех тел ускорение свободного падения одинаково. По легенде, ученый тогда сбрасывал с башни шары разной массы.
Ускорение свободного падения
Ускорение свободного падения — ускорение, с которым все тела падают на Землю.
Ускорение свободного падения приблизительно равно 9 , 81 м с 2 и обозначается буквой g . Иногда, когда точность принципиально не важна, ускорение свободного падения округляют до 10 м с 2 .
Земля — не идеальный шар, и в различных точках земной поверхности, в зависимости от координат и высоты над уровнем моря, значение g варьируется. Так, самое большое ускорение свободного падения — на полюсах ( ≈ 9 , 83 м с 2 ) , а самое малое — на экваторе ( ≈ 9 , 78 м с 2 ) .
Свободное падение тела
Рассмотрим простой пример свободного падения. Пусть некоторое тело падает с высоты h с нулевой начальной скоростью. Допустим мы подняли рояль на высоту h и спокойно отпустили его.
Свободное падение — прямолинейное движение с постоянным ускорением. Направим ось координат от точки начального положения тела к Земле. Применяя формулы кинематики для прямолинейного равноускоренного движения, можно записать.
h = v 0 + g t 2 2 .
Так как начальна скорость равна нулю, перепишем:
Отсюда находится выражение для времени падения тела с высоты h :
Принимая во внимание, что v = g t , найдем скорость тела в момент падения, то есть максимальную скорость:
v = 2 h g · g = 2 h g .
Движение тела, брошенного вертикально вверх
Аналогично можно рассмотреть движение тела, брошенного вертикально вверх с определенной начальной скоростью. Например, мы бросаем вверх мячик.
Пусть ось координат направлена вертикально вверх из точки бросания тела. На сей раз тело движется равнозамедленно, теряя скорость. В наивысшей точки скорость тела равна нулю. Применяя формулы кинематики, можно записать:
Подставив v = 0 , найдем время подъема тела на максимальную высоту:
Время падения совпадает со временем подъема, и тело вернется на Землю через t = 2 v 0 g .
Максимальная высота подъема тела, брошенного вертикально:
Взглянем на рисунок ниже. На нем приведены графики скоростей тел для трех случаев движения с ускорением a = — g . Рассмотрим каждый из них, предварительно уточнив, что в данном примере все числа округлены, а ускорение свободного падения принято равным 10 м с 2 .
Первый график — это падение тела с некоторой высоты без начальной скорости. Время падения t п = 1 с . Из формул и из графика легко получить, что высота, с которой падало тело, равна h = 5 м .
Второй график — движение тела, брошенного вертикально вверх с начальной скоростью v 0 = 10 м с . Максимальная высота подъема h = 5 м . Время подъема и время падения t п = 1 с .
Третий график является продолжением первого. Падающее тело отскакивает от поверхности и его скорость резко меняет знак на противоположный. Дальнейшее движение тела можно рассматривать по второму графику.
Движение тела, брошенного под углом к горизонту
С задачей о свободном падении тела тесно связана задача о движении тела, брошенного под определенным углом к горизонту. Так, движение по параболической траектории можно представить как сумму двух независимых движений относительно вертикальной и горизонтальной осей.
Вдоль оси O Y тело движется равноускоренно с ускорением g , начальная скорость этого движения — v 0 y . Движение вдоль оси O X — равномерное и прямолинейное, с начальной скоростью v 0 x .
Условия для движения вдоль оси О Х :
x 0 = 0 ; v 0 x = v 0 cos α ; a x = 0 .
Условия для движения вдоль оси O Y :
y 0 = 0 ; v 0 y = v 0 sin α ; a y = — g .
Приведем формулы для движения тела, брошенного под углом к горизонту.
Время полета тела:
t = 2 v 0 sin α g .
Дальность полета тела:
L = v 0 2 sin 2 α g .
Максимальная дальность полета достигается при угле α = 45 ° .
L m a x = v 0 2 g .
Максимальная высота подъема:
h = v 0 2 sin 2 α 2 g .
Отметим, что в реальных условиях движение тела, брошенного под углом к горизонту, может проходить по траектории, отличной от параболической вследствие сопротивления воздуха и ветра. Изучением движения тел, брошенных в пространстве, занимается специальная наука — баллистика.