Консультация № 198868
07.06.2020, 19:35
0.00 руб.
0 10 1
Уважаемые эксперты! Пожалуйста, ответьте на вопрос:
Небольшой шарик массы m=200 г уронили без начальной скорости с высоты H=40 м. Шарик упал на Землю через t≈3 с со скоростью V≈26 м/с. Известно, что сила сопротивления воздуха, действующая на шарик, прямо пропорциональна его скорости относительно воздуха: F⃗ с=−αv⃗ . Найдите коэффициент α. Ветра в области падения шарика нет, ускорение свободного падения считайте равным g≈10 м/с2. Ответ выразите в кг/с, округлив до тысячных.
Заранее спасибо.

Обсуждение

давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
10.06.2020, 13:57
общий
Адресаты:
Очередь дошла до Вашей Консультации. Однако, в Вашей РегКарте значится : "12345678910abcc (Посетитель) , … Последнее посещение: 7.06.2020… (2 сут. 18 час… назад)". Я подозреваю, Вы уже забросили свою Консультацию?
давно
Посетитель
226425
1567
10.06.2020, 21:55
общий
Ребята, кто еще тут остался из математиков... Может поможем человеку?
Я диф.уравнения составил, конечно, но что с ними дальше делать??? - ума не хватает
1. 2 закон Ньютона
m*dv/dt = mg - [$945$]v(t)
2. уравнение скорости
v(t)=t*dv/dt
3. уравнение перемещения (по высоте).
H(t)=(t2/2)*dv/dt
Подскажите, может какой еще другой способ есть.
Самому хочется разобраться. А то давно что-то в школьной программе увяз - мозги ЕГЭшатся
Об авторе:
С уважением
shvetski
давно
Модератор
156417
2175
10.06.2020, 23:02
общий
10.06.2020, 23:06
Адресаты:
При первой степени скорости в выражении сопротивления получается экспоненциальное приближение скорости к терминальной
m[$183$]dv/dt=mg-[$945$]v
dv/dt=g-[$945$]v/m=([$945$]/m)(mg/[$945$]-v)
d(v-mg/[$945$])/dt=-([$945$]/m)(v-mg/[$945$])
[$8747$]d(v-mg/[$945$])/(v-mg/[$945$])=-[$8747$]([$945$]/m)dt
ln(v-mg/[$945$])=-[$945$]t/m+lnC
v-mg/[$945$]=Ce-[$945$]t/m
v=mg/[$945$]+Ce-[$945$]t/m
и в итоге выходит
v(t)=mg/[$945$]+(v0-mg/[$945$])e-[$945$]t/m
или при v0=0 упрощаем до
v(t)=mg/[$945$][$183$](1-e-[$945$]t/m)

Правда, дальше не очень уверен, как из этого альфу вытягивать.
Или ради этого высота и дана - чтобы с интегралом от этого выражения что-то сделать?
давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
11.06.2020, 12:32
общий
Адресаты:
Цитата Konstantin Shvetski : "Может поможем человеку?" - давайте поможем, тем более, что этот человек вернулся и тихонько/молча поглядывает на наши старания, да и Вы с Романом уже почти решили задачу.

Цитата Roman Chaplinsky : "как из этого альфу вытягивать" - главное Вы с Костей уже сделали - дифур + его решение.
Вытащить альфу для Маткада - пустяковое дело. Мы с Маткадом уже и проверку сделали и графики красивые построили. Опубликую ч-з 3 часа.

Интересные особенности в этой задаче: Если принять точными значения H=40 м и скорость падения Vп=26 м/с , тогда искомая [$945$] = 0,0175 , а время падения tп = 2,95 с.

Если задать точными H=40 м и время падения tп = 3,0 с , тогда [$945$] = чуть другая , а скорость падения Vп = 25 м/с. Вот, оказывается, почему в Условии даны необычные приближённые равенства вместо точных.
Автору Вопроса даю 3 часа для выбора варианта. По умолчанию опубликую 1й вариант Ответа (для Vп=26 м/с ).
давно
Посетитель
226425
1567
11.06.2020, 14:34
общий
О, с Маткадом а я то всё с калькулятором... деревня так с ночи ничего нового и не нашел пока
Об авторе:
С уважением
shvetski
давно
Студент
404002
24
11.06.2020, 16:44
общий
Адресаты:
Давайте без костылей, т.е. маткада. Дело проще некуда. На шарик действуют две силы - тяжести и сопротивления воздуха. Выберем систему координат с осью z, направленной вниз. Начало координат выбираем на поверхности земли, тогда начальная высота координата равна z=-h=-40 м, конечная z= 0. Составляем уравнение 2-го закона Ньютона (ось координат z направлена вниз!):
mdv/dt=mg-av. Но v=dz/dt, отсюда получаем:
mdv/dt=d(mgt-az)/dt, тем самым:
d(mv-mgt+az)/dt=0.
Поскольку производная равна нулю, то:
mv-mgt+az=const.
Константу находим из начальных условий: при t=0, скорость v=0, координата z=-h:
const=-ah.
В момент падения z=0, тем самым:
a=m(gt-v)/h=0,2(10*3-26)/40=0,02 кг/с.
давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
11.06.2020, 17:10
общий
это ответ
Здравствуйте, 12345678910abcc!
Условие : масса m=0,2 кг , высота H=40 м, время падения tp[$8776$]3 с, скорость приземления Vp[$8776$]26 м/с,
ускорение свободного падения g=10 м/с2 .
Вычислить коэффициент сопротивления воздуха [$945$] .

Решение : Условие задачи имеет одну избыточную величину в (tp , либо Vp, либо H). Если одну из величин не задавать, то её значение будет найдено в процессе решения. При попытке задать ВСЕ данные, задача не имеет решения изза несовместимости исходных данных.
Рассмотрим вариант, когда не задано время падения . Я немного поясню процесс составления и решения дифференциального уравнения, которое проделали эксперты Konstantin Shvetski и Roman Chaplinsky в минифоруме Вашей Консультации:
По второму закону Ньютона сила F , действующая на тело массой m , вызывает ускорение величиной a = F / m . Это ускорение изменяет скорость тела.
В текущей задаче на падающий шарик действуют 2 силы: сила земного тяготения Fт = m·g и сила сопротивления воздуха Fс = [$945$]·V(t) .
Запишем уравнение : a·m = m·g - [$945$]·V
Разделим обе части уравнения на m : a = g - [$945$]·V / m
Ускорение - есть производная скорости по времени a(t) = V'(t) = dV(t) / dt = g - [$945$]·V / m
dV(t) / dt = ([$945$]/m)·(g·m/[$945$] - V)
dV(t) / dt = -([$945$]/m)·(V - g·m/[$945$])
Подводим функцию (V - g·m/[$945$]) под знак дифференциала, используем замену dV/dt на d(V - g·m/[$945$])/dt
Умножим обе части уравнения на dt и разделим на (V - m·g / [$945$]) :
d(V - m·g / [$945$]) / (V - m·g / [$945$]) = -([$945$]/m)·dt
Берём в обеих частях табличные интегралы : В левой части [$8747$](dy / y) , в правой - k·[$8747$](dt)
Получаем Ln(V - m·g / [$945$]) = -[$945$]·t / m + C1
Экспоненцируем: V - m·g / [$945$] = e^(-[$945$]·t / m + C1) = C2·e-[$945$]·t / m
Здесь C1, C2 - некоторые константы интегрирования.
V(t) = m·g / [$945$] + C2·e-[$945$]·t / m
В начальный момент полёта t=0 , V(0) = 0 , e-[$945$]·0 / m = 1 , находим C2 = -m·g / [$945$]
и получаем итоговое уравнение V(t) = m·g/[$945$] - (m·g/[$945$])·e-[$945$]·t/m = (m·g/[$945$])·(1 - e-[$945$]·t/m)

К этому уравнению скорости добавим уравнение пути 0tp[$8747$]V(t)·dt = H0
Решать эту систему Вы можете любым удобным для Вас методом (итерационным, использовать онлайн-решатели). Мне удобно вычислять в бесплатном приложении ru.wikipedia.org/wiki/Mathcad . Маткад работает быстро и избавляет меня от частых ошибок. Маткад-скриншот прилагаю. Я добавил в него подробные комментарии зелёным цветом.

Ответ : для варианта, когда не задано время падения, коэффициент [$945$]=0,018 кг/с , время падения tp=2,95 с.
Прилагаю графики зависимости скорости, ускорения и высоты падения от времени.
давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
11.06.2020, 17:18
общий
Адресаты:
Вы можете оформить своё Решение как ещё 1 Ответ.
У Вас очень лаконичное Решение! Проверить его я сейчас не в состоянии, устал очень.

Вы писали: "Давайте без костылей, т.е. маткада" - кто умеет считать всё в уме, для тех Маткад возможно - излишество. А для меня Маткад - палочка-выручалочка, я без него часто ошибаюсь. Мне уже 68.
давно
Студент
404002
24
11.06.2020, 21:47
общий
Адресаты:
Огорчу Вас, мне уже 73!
давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
12.06.2020, 01:54
общий
Адресаты:
Браво!
Форма ответа