Přejít na hlavní obsah

Jak dlouho bude trvat, než tělo hozené nahoru rychlostí 30 m / s dosáhne maximální výšky a vrátí se zpět na zemi?

  • Jindřich Kopecká
  • Postupy

Fyzika neustále nás překvapuje svými zákony a fenomény. Podívejme se na jednu z těchto zajímavých otázek: jak dlouho bude trvat, než se těleso hozené nahoru rychlostí 30 m/s vrátí na zemi? Na první pohled to vypadá jednoduše: vypočítáme čas pádu pomocí vzorce, který nám řekli ve škole. Ale ve skutečnosti to není tak jednoduché a v tomto článku pochopíme proč.

Nejprve si připomeňme základní zákony, kterými se tělo řídí při pohybu ve volném pádu. Za prvé, zrychlení volného pádu je téměř 9,8 m/s2. Je to efekt způsobený gravitační přitažlivostí země. Za druhé, čas ve volném pádu je o polovinu kratší než čas na stoupání, pokud se přesně podíváte na všechny procesy.

Pojďme se nyní podívat na některé funkce pro tento úkol: tělo je pohozeno nahoru, takže už máme počáteční rychlost 30 m/s. musíme určit, za jak dlouho se vrátí na zemi. Můžeme použít pohybovou rovnici, která zahrnuje výšku a použít druhý Newtonův zákon.

Jak dlouho bude trvat, než se tělo vrhne vzhůru rychlostí 30 m / s?

K určení doby pádu tělesa pohozeného nahoru rychlostí 30 m/s je třeba vzít v úvahu gravitační zrychlení, které je přibližně 9,8 m/s2 poblíž zemského povrchu. Toto zrychlení směřuje dolů, takže zpomalí pohyb těla.

Pád těla lze rozdělit na dvě části: stoupání a klesání. V počátečním okamžiku pohybu je těleso pohozeno nahoru a překonává gravitační zrychlení. V této situaci se rychlost těla snižuje, dokud nedosáhne nuly. Tělo pak začne klesat dolů se zrychlením směřujícím dolů.

Čas potřebný k pádu těla lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:

t = 2v / g

kde t - čas pádu, v - počáteční rychlost tělesa (30 m/s), g gravitační zrychlení (přibližně 9,8 m / s2).

Vložením hodnot do tohoto vzorce získáme:

t = 2 * 30 m / s / 9,8 m / s2 = 6,12 sekundy

Doba potřebná k pádu těla pohozeného nahoru rychlostí 30 m/s je tedy přibližně 6,12 sekundy.

Rychlost nahoru a doba stoupání

Když je tělo házeno nahoru, pohybuje se proti gravitaci a zpomaluje se, dokud se jeho rychlost nezmění na nulu. Je to okamžik, kdy tělo dosáhne nejvyššího bodu svého pohybu a začne klesat dolů. Rychlost nahoru a doba stoupání závisí na počáteční rychlosti těla.

Pokud bylo těleso pohozeno nahoru rychlostí 30 m/s, jeho rychlost se každou sekundu sníží o 9,81 m/s (zrychlení volného pádu). Čas potřebný k dosažení rychlosti 0 m/s a nejvyššího bodu lze tedy vypočítat pomocí vzorce:

Počáteční rychlost, m/sZrychlení, m / s2Čas výstupu, sec
309.813.06

Aby tedy těleso pohozené nahoru rychlostí 30 m/s dosáhlo nejvyššího bodu svého pohybu a začalo klesat, bude to trvat přibližně 3,06 sekundy.

Maximální výška dosažena tělem

Po hodu se tělo pohybuje po trajektorii gravitací. Vertikální rychlost těla se snižuje a nakonec dosáhne nuly. V tomto okamžiku tělo dosáhne maximální výšky.

Tělo pak začne padat gravitací. Podle zákona zachování energie zůstává úplná mechanická energie těla v jakékoli výšce konstantní, takže maximální výšky je dosaženo úplnou přeměnou kinetické energie těla na potenciální.

Chcete-li najít maximální výšku, musíte použít rovnici zákona zachování energie:

Kde $ > _ $ - počáteční kinetická energie těla, $ > _ $ - počáteční potenciální energie těla, $ > _ $ - konečná kinetická energie těla, $ > _ $ - konečná potenciální energie těla.

V počáteční výšce je potenciální energie nulová ($>_=0$) a počáteční kinetická energie je definována jako $>_=\frac$.

V maximální výšce potenciální energie dosáhne maximální hodnoty, takže $ > _ $ bude rovno $>_$.

Takže rovnice zákona zachování energie bude mít podobu:

Protože počáteční rychlost je 30 m/s a těleso se pohybuje svisle v gravitačním poli, konečná rychlost bude -30 m / s.

Rovnice pak bude mít následující podobu:

Poté, co najdete hodnotu $>_$, můžete určit maximální výšku pomocí vzorce $> _ =m\cdot g\cdot h_$, kde m je tělesná hmotnost, g je zrychlení volného pádu a$ h_ $ je maximální výška.

Jakmile tedy najdete hodnotu $>_$, můžete určit maximální výšku dosaženou tělem.

Počáteční rychlost pádu

Když je tělo pohozeno nahoru rychlostí 30 m / s, začne se pohybovat v opačném směru gravitace. Pod vlivem gravitace se však začne zpomalovat a nakonec začne klesat dolů.

Počáteční rychlost pádu je rychlost, kterou se tělo začne pohybovat dolů po dosažení maximální výšky. V tomto případě je počáteční rychlost pádu 30 m / s, protože tato rychlost byla nastavena v okamžiku hodu.

Stanovení počáteční rychlosti pádu je důležitým krokem při výpočtu času, který bude nutný k pádu těla. To lze provést pomocí fyzikálních vzorců, jako je vzorec volného pádu: čas pádu se rovná kořeni z dvojnásobné výšky dělené zrychlením volného pádu.

ParametrHodnota
Počáteční rychlost pádu30 m/s

Stanovení rovnováhy

Ve fyzice pojem "stanovení rovnováhy" znamená proces, při kterém systém přechází z nestálého stavu do stavu rovnováhy. Rovnováha může být statická nebo dynamická a také stabilní nebo nestabilní.

Statická rovnováha znamená, že systém je v klidu a neprovádí žádné pohyby. Dynamická rovnováha zase znamená, že systém provádí konstantní a stabilní pohyb.

Při vytváření rovnováhy hrají důležitou roli síly působící na systém. Pokud je systém v nestabilní rovnováze, pak sebemenší porucha může vést k jeho pohybu a opuštění rovnováhy. V případě trvalé rovnováhy budou vzniklé poruchy číst a snižovat jeho energii, ale systém se stále vrátí do rovnovážného stavu.

Stanovení rovnováhy může trvat různou dobu v závislosti na parametrech systému, silách, které na něj působí, a také na podmínkách prostředí. K matematickému popisu tohoto procesu se používají rovnice a fyzikální zákony.

Čas pádu

Chcete-li určit čas pádu těla, musíte vědět, jakou počáteční rychlost měl v okamžiku hodu. V tomto případě je tělo pohozeno nahoru rychlostí 30 m / s.

Znát počáteční rychlost a vzhledem k tomu, že gravitace bude působit na tělo, lze použít pohybovou rovnici:

  • s - úplná ujetá vzdálenost
  • u - počáteční rychlost
  • t - čas
  • g - zrychlení volného pádu, přibližně 9,8 m / s^2

Vzhledem k tomu, že tělo bylo pohozeno nahoru, bude celková ujetá vzdálenost nulová. Uveďme známé hodnoty do rovnice:

0 = 30t + (1/2) * 9.8 * t^2

Vyřešením této rovnice najdeme čas pádu.

Řešení této kvadratické rovnice nám poskytne dva kořeny: jeden kladný a jeden záporný. Negativní kořen představuje fyzicky nemožný scénář, takže vezmeme pouze pozitivní kořen.

Čas pádu tělesa se tedy rovná jednomu z kořenů rovnice.

Výpočet doby pádu

Pro výpočet doby pádu těla je třeba vzít v úvahu, že bylo pohozeno nahoru rychlostí 30 m/s. K pádu dochází pod vlivem gravitace, která urychluje těleso dolů s konstantním zrychlením přibližně 9,8 m/s2.

Použijeme vzorec t = v / g, kde:

tčas pádu (v sekundách)
vpočáteční rychlost (v metrech za sekundu)
gzrychlení volného pádu (přibližná hodnota 9,8 m / s2)

Nastražíme známé významy:

t = 30 m/s / 9,8 m/s2 je 3,06 sekundy.

Doba pádu těla je tedy asi 3,06 sekundy.

Vliv dalších faktorů na dobu poklesu

Doba pádu těla z výšky závisí nejen na počáteční rychlosti, ale také na dalších faktorech. Zde jsou některé z nich:

Tělesná hmotnost: Čím větší je tělesná hmotnost, tím více na něj bude působit přitažlivá síla. V důsledku toho bude doba pádu pro masivnější těla větší ve srovnání s méně masivními.

Odpor vzduchu: Pokud těleso spadne do plynného prostředí, jako je zemská atmosféra, síla odporu vzduchu ovlivní jeho dobu pádu. Čím větší je plocha průřezu těla, tím větší je odpor vzduchu a tím větší je doba pádu.

Vliv ostatních sil: Přítomnost dalších sil, jako je vítr nebo síla pohybu těla ve vodorovném směru, může také ovlivnit dobu pádu. Tyto síly mohou zrychlit i zpomalit pokles těla v závislosti na jejich velikosti a směru.

Tvar těla: Tvar těla může mít vliv na jeho interakci se vzduchem a dalšími faktory. Například předměty s parabolickým tvarem, jako jsou ohebná křídla ptáků nebo padáky, mohou měnit odpor vzduchu, a tedy i dobu pádu.

Vzhledem k těmto faktorům se doba pádu těla z výšky může značně lišit a pro přesné určení vyžaduje složitější výpočty. Základní vzorec pro výpočet doby pádu však zůstává stejný: čas se rovná kořeni čtvercovému z dvojitého dělení výšky na zrychlení volného pádu.