Здравствуйте, Кудинов Иван Николаевич!
Рассмотрим движение тела вверх при наличии сопротивления воздуха. Обозначим коэффициент сопротивления воздуха через k. Тело находится под действием двух сил, препятствующих движению: силы тяжести mg и силы сопротивления воздуха kv.
Согласно второму закону Ньютона, получим
mdv/dt = -mg - kv,
dt = -mdv/(mg + kv) = -dv/(g + kv/m),
[$8747$]dt = -(m/k)[$8747$]d(g + kv/m)/(g + kv/m),
t = -(m/k)ln (g + kv/m) + C,
ln (g + kv/m) = -(k/m)(t - C),
ln (g + kv/m) = (k/m)(C - t),
g + kv/m = e
kC/me
-kt/m = C
1e
-kt/m,
kv/m = C
1e
-kt/m - g,
v = (m/k)C
1e
-kt/m - mg/k,
v = C
2e
-kt/m - mg/k. (1)
Для нахождения частного решения воспользуемся тем, что если движение начинается при t = 0 с, то v(0) = v
0 = 20 м/с. Тогда из уравнения (1) получим
v
0 = C
2 - mg/k,
C
2 = v
0 + mg/k. (2)
Из выражений (1) и (2) получаем закон изменения скорости тела
v = (v
0 + mg/k)e
-kt/m - mg/k. (3)
В точке своего наивысшего положения тело меняет направление своей скорости, и в этой точке v = 0, что с учётом выражения (3) даёт
(v
0 + mg/k)e
-kt/m - mg/k = 0,
e
-kt/m = (mg/k)/(v
0 + mg/k) = (mg/k)/((kv
0 + mg)/k) = mg/(kv
0 + mg),
-kt/m = ln (mg/(kv
0 + mg)),
t = -(m/k)ln (mg/(kv
0 + mg)). (4)
Прежде, чем воспользоваться формулой (4), замечу об условии задачи следующее:
1) фраза "тело весом 2 кг" представляется неправильной, потому что вес тела - это сила, с которой тело действует на подвес или подставку. В данном же случае рассматривается движение тела, на которое не наложены связи;
2) фраза "сопротивление воздуха, ... выраженное в килограммах" представляется непонятной, потому что из уравнения mdv/dt = -mg - kv видно, что [kv] = [mg] = 1 Н = 1 кг [$149$] м/с
2. Вам предстоит уточнить у своего преподавателя, что имеется в виду на самом деле...;
3) g = 9,8 м/с
2, а не 9,8 м/с.
Если подставить в формулу (4) значения m = 2 кг, k = 0,04 кг/с, g = 9,8 м/с
2, v
0 = 20 м/с, получим
t = -(2/0,04) [$149$] ln (2 [$149$] 9,8/(0,04 [$149$] 20 + 2 [$149$] 9,8)) [$8776$] 2,0 (с).
Ответ: тело достигнет наивысшего положения через 2 с.
С уважением.
P. S. Механика является одним из разделов физики, поэтому Вы не сделали ошибки, поместив свой вопрос в данной рассылке. Для информации замечу, что на портале есть рассылка
"Теоретическая и прикладная механика", услугами экспертов которой Вы тоже можете воспользоваться.
Об авторе:
Facta loquuntur.