3.2 Rzut poziomy i ukośny
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1
a) Naszkicuj tor ruchu kulki oraz wektory jej prędkości w kilku wybranych punktach trajektorii.
b) Korzystając ze znanych równań współrzędnych położenia, wyprowadź jawną zależność \(y(x)\) i wykaż, że torem kulki jest parabola.
c) Jaki kąt tworzy wektor prędkości wypadkowej kulki z kierunkiem osi \(x\) po czasie lotu \(t = 1\text{ s}\)?
b) Zależność funkcyjna ma postać \(y(x) = \dfrac{1}{20}x^2\) (lub \(y = 0{,}05x^2\)). Jest to równanie funkcji kwadratowej postaci \(y = ax^2\), stąd torem ruchu kulki jest parabola o wierzchołku w początku układu współrzędnych.
c) Kąt nachylenia wektora prędkości do osi \(x\) wynosi \(\alpha = 45^\circ\).
- Rzut poziomy można rozłożyć na dwa niezależne ruchy: ruch jednostajny wzdłuż poziomej osi \(x\) oraz ruch jednostajnie przyspieszony bez prędkości początkowej wzdłuż pionowej osi \(y\).
- Aby wyznaczyć równanie toru \(y(x)\), należy wyrugować czas \(t\) z równania ruchu poziomego i wstawić otrzymane wyrażenie do równania ruchu pionowego.
- Kierunek wektora prędkości wypadkowej w danej chwili określa tangens kąta nachylenia do poziomu: \(\operatorname{tg}\alpha = \dfrac{v_y}{v_x}\).
Dane:
\(x(t) = 10t\text{ [m]}\)
\(y(t) = 5t^2\text{ [m]}\)
\(x_1 = 0\text{ m}\), \(y_1 = 0\text{ m}\)
\(v_1 = 10\text{ m/s}\)
\(g = 10\text{ m/s}^2\)
\(t = 1\text{ s}\)
Szukane:
a) Szkic toru ruchu oraz wektorów prędkości \(\vec{v}\)
b) Równanie toru \(y(x)\)
c) Kąt \(\alpha = ?\)
-
Rysunek pomocniczy i analiza stanu wyjściowego układu:
W chwili początkowej kulka znajduje się w punkcie \(O(0, 0)\) i zostaje wyrzucona z poziomą prędkością początkową \(\vec{v}_1\). W kierunku pionowym w dół działa przyspieszenie ziemskie \(\vec{g}\), które nadaje kulce prędkość pionową. -
Podpunkt a) Wyznaczenie punktów trajektorii i naszkicowanie wektorów prędkości:
W kierunku poziomym prędkość kulki jest stała i wynosi \(v_x = 10\text{ m/s}\). W kierunku pionowym prędkość rośnie liniowo wraz z upływem czasu zgodnie ze związkiem \(v_y(t) = g \cdot t = 10t\).
Obliczamy położenie oraz składowe prędkości dla wybranych chwil:- Dla \(t = 0\text{ s}\): \(x = 0\text{ m}\), \(y = 0\text{ m}\), \(v_x = 10\text{ m/s}\), \(v_y = 0\text{ m/s}\).
- Dla \(t = 1\text{ s}\): \(x = 10\text{ m}\), \(y = 5 \cdot 1^2 = 5\text{ m}\), \(v_x = 10\text{ m/s}\), \(v_y = 10\text{ m/s}\).
- Dla \(t = 2\text{ s}\): \(x = 20\text{ m}\), \(y = 5 \cdot 2^2 = 20\text{ m}\), \(v_x = 10\text{ m/s}\), \(v_y = 20\text{ m/s}\).
-
Podpunkt b) Wyprowadzenie równania toru \(y(x)\) i uzasadnienie kształtu paraboli:
Wychodzimy z układu równań parametrycznych położenia: $$\begin{cases} x = 10t \\[6pt] y = 5t^2 \end{cases}$$ Wyznaczamy czas \(t\) z równania opisującego współrzędną poziomą \(x\): $$t = \dfrac{x}{10}$$ Wstawiamy wyznaczony czas \(t\) do równania opisującego współrzędną pionową \(y\): $$\begin{aligned} y &= 5 \cdot \left(\dfrac{x}{10}\right)^2 \\[8pt] &= 5 \cdot \dfrac{x^2}{100} \\[8pt] &= \dfrac{1}{20}x^2 = 0{,}05x^2 \end{aligned}$$ Otrzymana relacja \(y(x) = \dfrac{1}{20}x^2\) jest funkcją kwadratową typu \(y = ax^2\) (dla \(a = 0{,}05 > 0\)). Wykresem takiej funkcji w prostokątnym układzie współrzędnych jest parabola z wierzchołkiem w początku układu współrzędnych \((0, 0)\). -
Podpunkt c) Wyznaczenie kąta wektora prędkości wypadkowej po czasie \(t = 1\text{ s}\):
Wektor prędkości wypadkowej \(\vec{v}\) składa się z dwóch wzajemnie prostopadłych składowych: poziomej \(v_x\) oraz pionowej \(v_y\).
Obliczamy wartości obu składowych dla czasu \(t = 1\text{ s}\): $$\begin{aligned} v_x &= 10\text{ m/s} \\[8pt] v_y &= g \cdot t = 10 \cdot 1 = 10\text{ m/s} \end{aligned}$$ Kierunek wektora prędkości wypadkowej względem poziomej osi \(x\) wyznaczamy za pomocą tangensa kąta \(\alpha\): $$\begin{aligned} \operatorname{tg}\alpha &= \dfrac{v_y}{v_x} \\[8pt] \operatorname{tg}\alpha &= \dfrac{10}{10} = 1 \end{aligned}$$ Kąt ostry, dla którego tangens wynosi \(1\), jest równy: $$\alpha = 45^\circ$$
a) Rysunek toru i wektorów prędkości przedstawiono w rozwiązaniu.
b) Równanie toru ma postać \(y(x) = \dfrac{1}{20}x^2\), co stanowi równanie paraboli.
c) Wektor prędkości tworzy z osią \(x\) kąt o mierze \(\alpha = 45^\circ\).
Zadanie 2
a) Oblicz czas lotu piłki do zderzenia z tarczą oraz wartości składowej poziomej i pionowej jej prędkości w momencie uderzenia.
b) Na jakiej wysokości nad podłożem piłka trafiła w tarczę?
c) Jaką prędkość w kierunku poziomym należałoby nadać piłce, aby nie uderzyła ona bezpośrednio w tarczę, lecz opadła na podłoże przed nią?
b) \(h_2 = 0{,}45\text{ m}\)
c) \(v_1 < 16\text{ m/s}\) (czyli \(v_1 < 57{,}6\text{ km/h}\))
- Rzut poziomy można rozłożyć na dwa niezależne ruchy: jednostajny w osi poziomej \(OX\) oraz jednostajnie przyspieszony bez prędkości początkowej (spadek swobodny) pod wpływem grawitacji w osi pionowej \(OY\).
- Składowa pozioma prędkości nie ulega zmianie w trakcie całego lotu, ponieważ nie działają w tym kierunku żadne siły.
- Składowa pionowa prędkości rośnie proporcjonalnie do czasu trwania spadania: \(v_y(t) = g \cdot t\).
- Wysokość nad podłożem w dowolnej chwili wyznaczamy jako różnicę wysokości początkowej i drogi przebytej w pionie: \(h(t) = H - \dfrac{g \cdot t^2}{2}\).
- Aby ciało nie uderzyło w przeszkodę, jego całkowity zasięg poziomy musi być mniejszy od odległości dzielącej punkt wyrzutu od przeszkody.
Dane:
\(H = 1{,}25\text{ m}\)
\(d = 8\text{ m}\)
\(v_1 = 72\text{ km/h} = \dfrac{72}{3{,}6}\text{ m/s} = 20\text{ m/s}\)
\(g = 10\text{ m/s}^2\)
Szukane:
a) \(t_2 = ?\), \(v_{x2} = ?\), \(v_{y2} = ?\)
b) \(h_2 = ?\)
c) \(v_{1\text{max}} = ?\) (lub przedział prędkości \(v_1\))
-
Rysunek pomocniczy i analiza stanu wyjściowego:
Wprowadzamy układ współrzędnych z osią \(OX\) skierowaną poziomo w prawo oraz osią \(OY\) skierowaną pionowo w górę. Punkt początkowy piłki znajduje się na wysokości \(H\), a wektor prędkości początkowej \(\vec{v}_1\) jest skierowany wyłącznie poziomo, co oznacza, że początkowa składowa pionowa wynosi \(v_{1y} = 0\). -
Czas lotu oraz składowe prędkości w chwili zderzenia (podpunkt a):
Ruch w kierunku poziomym odbywa się ze stałą prędkością \(v_1\). Zależność położenia poziomego od czasu opisuje równanie: $$x(t) = v_1 \cdot t$$ W chwili zderzenia z tarczą piłka pokonuje odległość \(x(t_2) = d\). Wyznaczamy czas dolotu \(t_2\): $$\begin{aligned} d &= v_1 \cdot t_2 \\[8pt] t_2 &= \dfrac{d}{v_1} \\[8pt] t_2 &= \dfrac{8\text{ m}}{20\text{ m/s}} = 0{,}4\text{ s} \end{aligned}$$ Składowa pozioma prędkości pozostaje stała przez cały czas ruchu: $$v_{x2} = v_1 = 20\text{ m/s} = 72\text{ km/h}$$ Składowa pionowa prędkości wynika ze swobodnego przyspieszania pod wpływem grawitacji ze stanu spoczynku w osi pionowej: $$\begin{aligned} v_{y2} &= g \cdot t_2 \\[8pt] v_{y2} &= 10\text{ m/s}^2 \cdot 0{,}4\text{ s} = 4\text{ m/s} \end{aligned}$$ -
Wysokość uderzenia w tarczę (podpunkt b) oraz interpretacja graficzna:
W czasie \(t_2 = 0{,}4\text{ s}\) piłka obniża swoje położenie w pionie o drogę \(\Delta y\): $$\begin{aligned} \Delta y &= \dfrac{g \cdot t_2^2}{2} \\[8pt] \Delta y &= \dfrac{10\text{ m/s}^2 \cdot (0{,}4\text{ s})^2}{2} \\[8pt] \Delta y &= 5 \cdot 0{,}16\text{ m} = 0{,}8\text{ m} \end{aligned}$$ Wysokość nad podłożem \(h_2\), na jakiej piłka trafia w tarczę, wynosi: $$\begin{aligned} h_2 &= H - \Delta y \\[8pt] h_2 &= 1{,}25\text{ m} - 0{,}8\text{ m} = 0{,}45\text{ m} \end{aligned}$$ Poniższy rysunek wynikowy ilustruje paraboliczny tor lotu piłki, wyznaczony punkt zderzenia oraz rozkład wektora prędkości na składowe: -
Warunek upadku przed tarczą (podpunkt c):
Piłka nie uderzy bezpośrednio w pionową tarczę, jeśli dotrze do poziomu podłoża na odległości mniejszej niż \(d = 8\text{ m}\).
Obliczamy całkowity czas spadania swobodnego \(t_c\) z wysokości \(H = 1{,}25\text{ m}\): $$\begin{aligned} H &= \dfrac{g \cdot t_c^2}{2} \\[8pt] t_c^2 &= \dfrac{2H}{g} \\[8pt] t_c &= \sqrt{\dfrac{2H}{g}} \\[8pt] t_c &= \sqrt{\dfrac{2 \cdot 1{,}25\text{ m}}{10\text{ m/s}^2}} = \sqrt{0{,}25}\text{ s} = 0{,}5\text{ s} \end{aligned}$$ Zasięg rzutu poziomego przy prędkości początkowej \(v_1'\) wynosi \(z = v_1' \cdot t_c\). Warunek, by piłka spadła na ziemię przed tarczą: $$\begin{aligned} z &< d \\[8pt] v_1' \cdot t_c &< d \\[8pt] v_1' &< \dfrac{d}{t_c} \\[8pt] v_1' &< \dfrac{8\text{ m}}{0{,}5\text{ s}} = 16\text{ m/s} \end{aligned}$$ W jednostkach prędkości drogowej: $$v_1' < 16 \cdot 3{,}6\text{ km/h} = 57{,}6\text{ km/h}$$ (Jeżeli dopuścimy trafienie dokładnie w krawędź styku tarczy z podłożem, wówczas \(v_1' \le 16\text{ m/s}\)).
a) \(t_2 = 0{,}4\text{ s}\), \(v_{x2} = 20\text{ m/s} = 72\text{ km/h}\), \(v_{y2} = 4\text{ m/s}\)
b) \(h_2 = 0{,}45\text{ m}\)
c) \(v_1 < 16\text{ m/s}\) (czyli \(v_1 < 57{,}6\text{ km/h}\))
Zadanie 3
a) Oblicz maksymalną wysokość \(H_{max}\), na jaką wzniesie się próbnik ponad poziom podłoża.
b) Wyznacz zasięg rzutu \(Z\), czyli odległość poziomą od stanowiska startowego do miejsca upadku próbnika na ziemię.
c) Ustal, jaki kąt z poziomem powinien tworzyć wektor prędkości początkowej przy tej samej jej wartości, aby zasięg rzutu był jak największy.
b) \(Z = 80\sqrt{3}\text{ m} \approx 138{,}56\text{ m}\)
c) \(\alpha = 45^\circ\)
- Ruch w rzucie ukośnym jest złożeniem dwóch niezależnych ruchów: jednostajnego wzdłuż osi poziomej \(x\) oraz jednostajnie zmiennego wzdłuż osi pionowej \(y\) pod wpływem stałego przyspieszenia ziemskiego \(g\).
- W najwyższym punkcie toru pionowa składowa prędkości spada do zera (\(v_y = 0\)), podczas gdy składowa pozioma \(v_x\) pozostaje stała przez cały czas trwania lotu.
- Maksymalną wysokość wznoszenia można obliczyć dwoma sposobami: za pomocą równań kinematyki ruchu pionowego lub wykorzystując zasadę zachowania energii mechanicznej.
- Zasięg rzutu na tym samym poziomie zależy od kąta wyrzutu proporcjonalnie do funkcji \(\sin(2\alpha)\), która osiąga największą wartość dla kąta \(90^\circ\).
Dane:
Prędkość początkowa próbnika: \(v_1 = 40\text{ m/s}\)
Kąt wyrzutu względem poziomu: \(\alpha = 30^\circ\)
Wartość przyspieszenia ziemskiego: \(g = 10\text{ m/s}^2\)
Szukane:
Maksymalna wysokość wznoszenia: \(H_{max} = ?\)
Zasięg rzutu: \(Z = ?\)
Optymalny kąt dla maksymalnego zasięgu: \(\alpha_{max} = ?\)
-
Rysunek pomocniczy i rozkład wektora prędkości początkowej na składowe:
Wybieramy prostokątny układ współrzędnych o początku w punkcie wystrzału próbnika. Oś \(x\) jest skierowana poziomo wzdłuż podłoża w stronę ruchu, a oś \(y\) pionowo do góry. Przyspieszenie ziemskie \(\vec{g}\) ma zwrot przeciwny do osi \(y\).Wektor prędkości początkowej \(\vec{v}_1\) rozkładamy za pomocą funkcji trygonometrycznych: $$\begin{aligned} v_{1x} &= v_1 \cdot \cos\alpha \\[8pt] &= 40 \cdot \cos 30^\circ \\[8pt] &= 40 \cdot \dfrac{\sqrt{3}}{2} = 20\sqrt{3}\text{ m/s} \end{aligned}$$ $$\begin{aligned} v_{1y} &= v_1 \cdot \sin\alpha \\[8pt] &= 40 \cdot \sin 30^\circ \\[8pt] &= 40 \cdot \dfrac{1}{2} = 20\text{ m/s} \end{aligned}$$ -
Podpunkt a) Obliczenie maksymalnej wysokości wznoszenia \(H_{max}\):
W najwyższym punkcie toru składowa pionowa prędkości spada do zera (\(v_y = 0\)). Zadanie można rozwiązać na dwa równorzędne sposoby.
Sposób I – Z równań kinematyki ruchu jednostajnie zmiennego:
Równanie prędkości w pionie ma postać: $$v_y(t) = v_{1y} - g \cdot t$$ Podstawiając warunek \(v_y(t_w) = 0\), wyznaczamy czas wznoszenia \(t_w\): $$\begin{aligned} 0 &= v_{1y} - g \cdot t_w \\[8pt] t_w &= \dfrac{v_{1y}}{g} \\[8pt] &= \dfrac{20}{10} = 2\text{ s} \end{aligned}$$ Wysokość maksymalną wyznaczamy z równania drogi w ruchu pionowym: $$\begin{aligned} H_{max} &= v_{1y} \cdot t_w - \dfrac{g \cdot t_w^2}{2} \\[8pt] &= 20 \cdot 2 - \dfrac{10 \cdot 2^2}{2} \\[8pt] &= 40 - \dfrac{10 \cdot 4}{2} \\[8pt] &= 40 - 20 = 20\text{ m} \end{aligned}$$ Sposób II – Z zasady zachowania energii mechanicznej:
W najwyższym punkcie toru próbnik posiada energię potencjalną ciężkości oraz energię kinetyczną wynikającą z niezmienionej składowej poziomej prędkości \(v_{1x}\): $$\begin{aligned} E_{m1} &= E_{m2} \\[8pt] \dfrac{m \cdot v_1^2}{2} &= \dfrac{m \cdot v_{1x}^2}{2} + m \cdot g \cdot H_{max} \end{aligned}$$ Dzieląc równanie obustronnie przez masę \(m\): $$\begin{aligned} \dfrac{v_1^2}{2} - \dfrac{v_{1x}^2}{2} &= g \cdot H_{max} \\[8pt] \dfrac{v_1^2 - v_{1x}^2}{2} &= g \cdot H_{max} \end{aligned}$$ Ponieważ z twierdzenia Pitagorasa zachodzi tożsamość \(v_1^2 - v_{1x}^2 = v_{1y}^2\), otrzymujemy: $$\begin{aligned} H_{max} &= \dfrac{v_{1y}^2}{2g} \\[8pt] &= \dfrac{20^2}{2 \cdot 10} \\[8pt] &= \dfrac{400}{20} = 20\text{ m} \end{aligned}$$ -
Podpunkt b) Wyznaczenie zasięgu rzutu \(Z\) oraz interpretacja graficzna trajektorii:
Ponieważ punkt wyrzutu i punkt upadku leżą na tej samej wysokości, całkowity czas lotu \(t_c\) jest równy dwukrotności czasu wznoszenia: $$\begin{aligned} t_c &= 2 \cdot t_w \\[8pt] &= 2 \cdot 2 = 4\text{ s} \end{aligned}$$ W kierunku poziomym próbnik porusza się ruchem jednostajnym ze stałą prędkością \(v_{1x}\). Zasięg rzutu \(Z\) wynosi: $$\begin{aligned} Z &= v_{1x} \cdot t_c \\[8pt] &= 20\sqrt{3} \cdot 4 = 80\sqrt{3}\text{ m} \approx 138{,}56\text{ m} \end{aligned}$$ Zasięg można również sprawdzić bezpośrednio z wyprowadzonego wzoru na zasięg rzutu ukośnego: $$\begin{aligned} Z &= \dfrac{v_1^2 \cdot \sin(2\alpha)}{g} \\[8pt] &= \dfrac{40^2 \cdot \sin(2 \cdot 30^\circ)}{10} \\[8pt] &= \dfrac{1600 \cdot \sin 60^\circ}{10} \\[8pt] &= 160 \cdot \dfrac{\sqrt{3}}{2} = 80\sqrt{3}\text{ m} \end{aligned}$$ -
Podpunkt c) Analiza kąta dającego największy zasięg rzutu:
Wzór na zasięg rzutu ukośnego ma postać: $$Z(\alpha) = \dfrac{v_1^2}{g} \cdot \sin(2\alpha)$$ Przy ustalonej wartości prędkości początkowej \(v_1\) oraz stałym przyspieszeniu \(g\) współczynnik \(\dfrac{v_1^2}{g}\) jest wielkością stałą. Zasięg \(Z\) zależy zatem bezpośrednio od wartości funkcji \(\sin(2\alpha)\).
Maksymalna wartość, jaką może przyjąć funkcja sinus dla dowolnego argumentu, wynosi \(1\): $$\sin(2\alpha) = 1$$ Dla kątów dodatnich mniejszych od \(180^\circ\) warunek ten zachodzi, gdy argument sinusa jest równy \(90^\circ\): $$\begin{aligned} 2\alpha &= 90^\circ \\[8pt] \alpha &= 45^\circ \end{aligned}$$ Aby zasięg ruchu próbnika był maksymalny, wektor prędkości początkowej powinien tworzyć z poziomem kąt \(45^\circ\).
a) \(H_{max} = 20\text{ m}\)
b) \(Z = 80\sqrt{3}\text{ m} \approx 138{,}56\text{ m}\)
c) \(\alpha = 45^\circ\)
Zadanie 4
a) Pod jakim kątem do poziomu \(\alpha\) należy skierować lufę działka, aby wystrzelony pocisk trafił w opadający ładunek?
b) Z jaką prędkością początkową \(v_{1m}\) ładunek pozoracyjny został wystrzelony pionowo w górę?
b) \(v_{1m} = 40\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}}\)
- Zauważ, że w momencie wystrzału pocisku z działka ładunek pozoracyjny znajduje się w spoczynku na wysokości \(H\) i zaczyna ruch jednostajnie przyspieszony bez prędkości początkowej (spadek swobodny).
- Zarówno pocisk, jak i spadający cel doznają dokładnie takiego samego przyspieszenia grawitacyjnego \(g\) skierowanego pionowo w dół. Oznacza to, że grawitacja zakrzywia tor pocisku o taką samą odległość \(\frac{1}{2}gt^2\), o jaką opada cel w tym samym przedziale czasu.
- Warunek trafienia sprowadza się do wyznaczenia chwili zrównania współrzędnych poziomych obu ciał oraz porównania ich współrzędnych pionowych.
- Prędkość wyrzucenia ładunku w górę można wyznaczyć z bilansu energetycznego (przemiana energii kinetycznej w potencjalną grawitacji) lub bezpośrednio ze wzorów kinematycznych dla rzutu pionowego.
Dane:
\(H = 80\text{ m}\)
\(d = 80\text{ m}\)
\(v_{1p} = 200\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}}\)
\(g = 10\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}^2}\)
\(v_{1m\text{, szczyt}} = 0\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}}\) (prędkość ładunku w najwyższym punkcie toru)
Szukane:
\(\alpha = ?\)
\(v_{1m} = ?\)
-
Rysunek pomocniczy i analiza stanu wyjściowego układu:
Umieszczamy początek kartezjańskiego układu współrzędnych \((0, 0)\) w miejscu wystrzału pocisku. Działko zostaje wycelowane pod nieznanym kątem \(\alpha\) do osi poziomej. W odległości poziomej \(x = d\) znajduje się tor pionowego opadania ładunku pozoracyjnego, który w chwili początkowej \(t = 0\) spoczywa na wysokości \(y = H\). -
Podpunkt a) Wyznaczenie kąta \(\alpha\) z warunku zderzenia ciał:
Zapisujemy równania ruchu dla obu ciał w przyjętym układzie współrzędnych. Ruch pocisku w polu grawitacyjnym opisują zależności rzutu ukośnego: $$ \begin{aligned} x_p(t) &= (v_{1p} \cos\alpha) \cdot t \\[8pt] y_p(t) &= (v_{1p} \sin\alpha) \cdot t - \dfrac{1}{2}gt^2 \end{aligned} $$ Ruch ładunku pozoracyjnego jest spadkiem swobodnym wzdłuż pionowej prostej \(x = d\) z początkowej wysokości \(y = H\): $$ \begin{aligned} x_m(t) &= d \\[8pt] y_m(t) &= H - \dfrac{1}{2}gt^2 \end{aligned} $$ Warunkiem trafienia pocisku w cel w chwili \(t_z\) jest jednoczesne zrównanie się obu współrzędnych położenia: \(x_p(t_z) = x_m(t_z)\) oraz \(y_p(t_z) = y_m(t_z)\).
Z równości współrzędnych poziomych wyznaczamy czas dolotu pocisku do linii spadku celu: $$ (v_{1p} \cos\alpha) \cdot t_z = d \implies t_z = \dfrac{d}{v_{1p} \cos\alpha} $$ Przyrównując współrzędne pionowe ciał w chwili \(t_z\), otrzymujemy: $$ (v_{1p} \sin\alpha) \cdot t_z - \dfrac{1}{2}gt_z^2 = H - \dfrac{1}{2}gt_z^2 $$ Wyrazy zawierające przyspieszenie grawitacyjne \(-\dfrac{1}{2}gt_z^2\) występują po obu stronach równania z tym samym znakiem, zatem ulegają redukcji: $$ (v_{1p} \sin\alpha) \cdot t_z = H $$ Wstawiamy wyznaczony wcześniej czas \(t_z\): $$ \begin{aligned} (v_{1p} \sin\alpha) \cdot \dfrac{d}{v_{1p} \cos\alpha} &= H \\[8pt] d \cdot \dfrac{\sin\alpha}{\cos\alpha} &= H \\[8pt] d \cdot \operatorname{tg}\alpha &= H \end{aligned} $$ Stąd funkcja tangens kąta wystrzału wynosi: $$ \operatorname{tg}\alpha = \dfrac{H}{d} $$ Podstawiamy dane liczbowe: $$ \operatorname{tg}\alpha = \dfrac{80\text{ m}}{80\text{ m}} = 1 \implies \alpha = 45^\circ $$ -
Podpunkt b) Obliczenie prędkości początkowej ładunku \(v_{1m}\):
Zadanie można rozwiązać dwoma równoważnymi sposobami.
Sposób I – Wykorzystanie zasady zachowania energii mechanicznej:
W chwili wystrzelenia z poziomu ziemi ładunek posiada wyłącznie energię kinetyczną \(E_{k_1}\). W najwyższym punkcie toru na wysokości \(H\) jego prędkość chwilowa spada do zera, a cała energia kinetyczna przekształca się w grawitacyjną energię potencjalną \(E_{p_2}\): $$ \begin{aligned} E_{k_1} &= E_{p_2} \\[8pt] \dfrac{m_m \cdot v_{1m}^2}{2} &= m_m \cdot g \cdot H \end{aligned} $$ Dzielimy obie strony równania przez masę ładunku \(m_m\) i wyznaczamy \(v_{1m}\): $$ \begin{aligned} \dfrac{v_{1m}^2}{2} &= g \cdot H \\[8pt] v_{1m}^2 &= 2 \cdot g \cdot H \\[8pt] v_{1m} &= \sqrt{2 \cdot g \cdot H} \end{aligned} $$ Podstawiamy wartości liczbowe: $$ v_{1m} = \sqrt{2 \cdot 10\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}^2} \cdot 80\text{ m}} = \sqrt{1600} = 40\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}} $$
Sposób II – Wykorzystanie równań kinematyki rzutu pionowego:
Ruch ładunku w górę jest ruchem jednostajnie opóźnionym z przyspieszeniem ziemskim \(g\). Równania prędkości i drogi mają postać: $$ \begin{aligned} v(t) &= v_{1m} - g \cdot t \\[8pt] y(t) &= v_{1m} \cdot t - \dfrac{1}{2}g \cdot t^2 \end{aligned} $$ W najwyższym punkcie toru prędkość wynosi zero: \(v(t_w) = 0\), skąd czas wznoszenia wynosi: $$ v_{1m} - g \cdot t_w = 0 \implies t_w = \dfrac{v_{1m}}{g} $$ Wstawiamy czas wznoszenia \(t_w\) do równania wysokości maksymalnej \(H = y(t_w)\): $$ \begin{aligned} H &= v_{1m} \cdot \left(\dfrac{v_{1m}}{g}\right) - \dfrac{1}{2}g \cdot \left(\dfrac{v_{1m}}{g}\right)^2 \\[8pt] &= \dfrac{v_{1m}^2}{g} - \dfrac{v_{1m}^2}{2g} = \dfrac{v_{1m}^2}{2g} \end{aligned} $$ Przekształcając powyższy wzór względem \(v_{1m}\), otrzymujemy identyczną zależność: $$ v_{1m} = \sqrt{2 \cdot g \cdot H} = \sqrt{2 \cdot 10 \cdot 80} = 40\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}} $$
a) \(\alpha = 45^\circ\)
b) \(v_{1m} = 40\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}}\)
Zadanie 5
a) Wyznacz czas, po upływie którego składowa pionowa prędkości sondy zrówna się z jej składową poziomą.
b) Oblicz współrzędne położenia \(x\) oraz \(y\) sondy po upływie tego czasu.
b) \(x = 90\text{ m}\), \(y = 45\text{ m}\)
- Rzut poziomy jest złożeniem dwóch niezależnych ruchów: jednostajnego wzdłuż osi poziomej \(X\) oraz jednostajnie przyspieszonego (spadku swobodnego z przyspieszeniem \(g\)) wzdłuż pionowej osi \(Y\).
- Prędkość poziomą \(v_x\) odczytasz bezpośrednio jako współczynnik przy czasie \(t\) w równaniu \(x(t)\), ponieważ w poziomie ruch odbywa się ze stałą prędkością.
- Prędkość pionowa rośnie liniowo z czasem zgodnie ze wzorem \(v_y(t) = g \cdot t\). Zrównanie wartości prędkości \(v_y = v_x\) pozwala wyznaczyć szukany czas.
- Współrzędne położenia po wyznaczonym czasie otrzymasz, podstawiając obliczoną wartość \(t\) wprost do równań ruchu podanych w treści zadania.
Dane:
\(x(t) = 30t\) [m] — równanie ruchu wzdłuż osi poziomej
\(y(t) = 5t^2\) [m] — równanie ruchu wzdłuż osi pionowej
\(g = 10\text{ m/s}^2\) — przyspieszenie ziemskie
Szukane:
a) \(t = ?\) — czas, po którym zachodzi równość \(v_y = v_x\)
b) \(x = ?\), \(y = ?\) — współrzędne położenia sondy w tej chwili
-
Rysunek pomocniczy i analiza kinematyczna rzutu poziomego w stanie wyjściowym:
W chwili początkowej \(t = 0\) sonda opuszcza krawędź klifu z poziomą prędkością początkową \(\vec{v}_{1x}\). Na ciało działa jedynie pionowo skierowane przyspieszenie ziemskie \(\vec{g}\), które nie wpływa na ruch w poziomie. -
Podpunkt a) Wyznaczenie czasu, po którym \(v_y = v_x\):
Sposób I (Na podstawie ogólnych wzorów kinematyki ruchu jednostajnego i jednostajnie zmiennego):
Równanie drogi w ruchu jednostajnym prostoliniowym ma postać \(x(t) = v_{1x} \cdot t\). Porównując to z podanym równaniem \(x = 30t\), odczytujemy stałą prędkość poziomą: $$ v_x = v_{1x} = 30\text{ m/s} $$ Równanie przemieszczenia w pionowym spadku swobodnym bez prędkości początkowej ma postać \(y(t) = \dfrac{g \cdot t^2}{2}\). Zgodnie z równaniem \(y = 5t^2\) oraz przyspieszeniem \(g = 10\text{ m/s}^2\), prędkość pionowa rośnie proporcjonalnie do czasu: $$ v_y(t) = g \cdot t = 10 \cdot t $$ Przyrównujemy do siebie obie składowe prędkości zgodnie z warunkiem zadania (\(v_y = v_x\)): $$ \begin{aligned} 10 \cdot t &= 30 \\[8pt] t &= \dfrac{30}{10} \\[8pt] t &= 3\text{ s} \end{aligned} $$
Sposób II (Wykorzystanie definicji prędkości jako pochodnej położenia po czasie):
Składowe prędkości obliczamy jako pochodne współrzędnych położenia względem czasu: $$ \begin{aligned} v_x &= \dfrac{dx}{dt} = (30t)' = 30\text{ m/s} \\[8pt] v_y &= \dfrac{dy}{dt} = (5t^2)' = 10t\text{ m/s} \end{aligned} $$ Przyrównując wartości obu pochodnych: $$ \begin{aligned} 10t &= 30 \\[8pt] t &= 3\text{ s} \end{aligned} $$ -
Podpunkt b) Wyznaczenie współrzędnych położenia \(x\) i \(y\) sondy po czasie \(t = 3\text{ s}\):
Podstawiamy obliczony czas \(t = 3\text{ s}\) bezpośrednio do wyjściowych równań ruchu sondy: Dla współrzędnej poziomej \(x\): $$ \begin{aligned} x(3) &= 30 \cdot 3 \\[8pt] x &= 90\text{ m} \end{aligned} $$ Dla współrzędnej pionowej \(y\): $$ \begin{aligned} y(3) &= 5 \cdot 3^2 \\[8pt] &= 5 \cdot 9 \\[8pt] y &= 45\text{ m} \end{aligned} $$ -
Rysunek wynikowy — trajektoria ruchu oraz wektory prędkości w punkcie docelowym:
Poniższy wykres na siatce kratek przedstawia tor ruchu sondy (parabolę) w skali: 1 kratka w poziomie odpowiada \(10\text{ m}\), a 1 kratka w pionie odpowiada \(10\text{ m}\). W wyznaczonym punkcie \((90\text{ m}, 45\text{ m})\) obie składowe prędkości mają identyczną długość (\(30\text{ m/s}\)), tworząc wypadkowy wektor prędkości nachylony pod kątem \(45^\circ\) do poziomu.
a) \(t = 3\text{ s}\)
b) \(x = 90\text{ m}\), \(y = 45\text{ m}\)
Grupa B
Zadanie 1
a) Naszkicuj tor ruchu zasobnika wraz z wektorami jego prędkości w kilku wybranych punktach trajektorii.
b) Wyznacz jawną zależność \(y(x)\) i na jej podstawie udowodnij, że torem ruchu ładunku jest parabola.
c) Ustal miarę kąta, jaki wektor wypadkowej prędkości zasobnika tworzy z osią \(x\) po upływie czasu \(t = 3\text{ s}\).
b) Zależność funkcyjna ma postać \(y(x) = \dfrac{1}{180}x^2\). Ponieważ funkcja ta jest funkcją kwadratową postaci \(y = ax^2\) (gdzie \(a = \dfrac{1}{180}\)), torem ruchu zasobnika jest parabola o wierzchołku w punkcie \((0, 0)\).
c) Kąt nachylenia wypadkowego wektora prędkości do osi \(x\) wynosi \(\alpha = 45^\circ\).
Zadanie 2
a) Wyznacz czas ruchu próbnika do momentu kontaktu z osłoną oraz oblicz składową poziomą i pionową jego prędkości w tej chwili.
b) Ustal wysokość nad posadzką, na jakiej próbnik uderzył w osłonę.
c) Jaką maksymalną prędkość w poziomie można by nadać próbnikowi, aby upadł na posadzkę przed osłoną (nie trafiając bezpośrednio w osłonę)?
b) \(h_2 = 1\text{ m}\)
c) \(v_1 < \dfrac{50}{3}\text{ m/s} \approx 16{,}67\text{ m/s}\) (czyli \(v_1 < 60\text{ km/h}\))
Zadanie 3
a) Oblicz maksymalną wysokość \(H_{max}\), jaką osiągnie strzała podczas swojego lotu.
b) Oblicz odległość mierzoną wzdłuż ziemi od miejsca wystrzału do punktu uderzenia strzały w podłoże (zasięg rzutu).
c) Ustal, pod jakim kątem do poziomu należałoby wystrzelić tę strzałę z taką samą prędkością początkową, aby uzyskać największy możliwy zasięg lotu.
b) \(Z = 20\sqrt{3}\text{ m} \approx 34{,}64\text{ m}\)
c) \(\alpha = 45^\circ\)
Zadanie 4
a) Wyznacz kąt \(\alpha\), pod jakim należy skierować wyrzutnię harpunową względem poziomu, aby wystrzelony pocisk trafił w opadający pływak.
b) Oblicz wartość prędkości początkowej \(v_{1p}\), z jaką pływak wystrzelono pionowo w górę z pokładu jednostki.
b) \(v_{1p} = 20\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}}\)
Zadanie 5
a) Oblicz czas liczony od chwili wystrzału kapsuły, po którym jej składowa pionowa prędkości osiągnie wartość równą początkowej prędkości poziomej.
b) Wyznacz wartości obu współrzędnych \(x\) i \(y\) opisujących położenie kapsuły w tej chwili ruchu.
b) \(x = 40\text{ m}\), \(y = 20\text{ m}\)
