Консультация № 188710
26.01.2016, 00:58
0.00 руб.
0 1 1
Здравствуйте, уважаемые эксперты! Прошу вас ответить на следующий вопрос:Лодка массы m развила под парусом скорость v0. а) Как будет убывать скорость лодки во времени по стоячей воде после спуска паруса, если считать, что сила сопротивления воды Fсопр. = kv^2? б) Как долго будет двигаться лодка? в) Какой путь она пройдет до полной остановки?

Обсуждение

давно
Модератор
156417
2175
26.01.2016, 02:18
общий
это ответ
Здравствуйте, jd221617!
а) Ускорение лодки после спуска паруса
dv/dt=-(k/m)v2
dv/v2=-(k/m)dt
интегрируем
[$8747$]dv/v2=-(k/m)[$8747$]dt
-1/v=-(k/m)t-C
1/v=(k/m)t+C
v=(m/k)/(t+mC/k)
подставляя условие vt=0=v0
v0=(m/k)/(mC/k)=1/C
C=1/v0
v=(m/k)/(t+m/kv0)=1/(kt/m+1/v0)
график этой функции представляет из себя ветвь гиперболы вида a/(x+b) - скорость постоянно убывает, но чем меньше она становится, тем медленнее убывает.
б) Уравнение скорости стремится к нулю асимптотически, оставаясь при этом положительным, то есть в отсутствие прочего внешнего воздействия лодка теоретически будет двигаться бесконечно долго но полностью не остановится.
Для практических задач условие "окончания" процесса может быть выбрано как достижение определённой доли исходной скорости (например, 1/e, 10%, 1% и т. п.) либо достижения ситуации, когда погрешность, вносимая прочими факторами, окажется соизмерима с остаточной скоростью.
в) чтобы найти пройденный путь, проинтегрируем скорость по всему времени, то есть до бесконечности. Впрочем, легко показать, что интегралы такого вида расходятся:
x0[$8734$][$8747$]adx/(x+b)=ax0+b[$8734$][$8747$]d(x+b)/(x+b)=a(ln([$8734$])-ln(x0+b))=[$8734$]
Так что пройденный за бесконечное время торможения путь теоретически также оказывается бесконечным.
Практическое значение зависит от выбранного условия окончания, при этом оно обладает меньшей погрешностью, чем длительность процесса, поскольку зависит от времени логарифмически.

Если в качестве условия окончания взять уменьшение скорости в e раз, то время торможения
v0/e=1/(kt/m+1/v0)
e/v0=kt/m+1/v0
kt/m=e/v0-1/v0=(e-1)/v0
t=(e-1)m/kv0
и расстояние
S=(m/k)[$183$]ln((t+m/kv0)/(m/kv0))=(m/k)[$183$]ln(kv0t/m+1)=(m/k)[$183$]ln(e-1+1)=m/k

Да, это одна из тех задач, когда математический ответ не очень применим с точки зрения физики, поэтому в физике выводят несколько иное, практически применимое, решение с определёнными оговорками.
Форма ответа