Loading...
 

Dodatek: Ruch w polu grawitacyjnym z uwzględnieniem oporu powietrza

Naszym zadaniem jest opisanie ruchu ciała o masie \( m \) puszczonego z pewnej wysokości nad powierzchnią Ziemi, które spadając doznaje oporu powietrza. Z codziennych doświadczeń wiemy, że opór powietrza zależy od prędkości, na przykłady podczas jazdy na rowerze, i jest tym większy im szybciej jedziemy. Przyjmiemy więc, założenie że siła oporu powietrza jest proporcjonalna do prędkości \( v \)

(1)
\( {\bf F}_{{\text{oporu}}}=-\mathit{\gamma {\bf v}} \)


Znak minus wskazuje, że siła oporu działa przeciwnie do kierunku ruchu (wektora prędkości \( {\bf v} \)).

Ruch ciała odbywa się pod działaniem dwóch sił: stałej siły grawitacji i zmiennej siły oporu. Wraz ze wzrostem prędkości rośnie siła oporu, aż do momentu gdy stanie się ona równa co do wartości sile grawitacji. Wówczas siła wypadkowa działająca na ciało staje się równa zeru, prędkość dalej już nie rośnie i nie rośnie też siła oporu, zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki ciało porusza się od tej chwili ruchem jednostajnym, prostoliniowym. Graniczną prędkość \( v_gr \) jaką osiąga ciało obliczamy z warunku

(2)
\( \begin{matrix}mg=\gamma v_{gr} \\ v_{gr}=\frac{mg}{\gamma} \end{matrix} \)


Teraz poszukujemy odpowiedzi napytanie jak zmienia się prędkość podczas ruchu. W tym celu korzystamy z Zasady dynamiki Newtona-Druga zasada dynamiki Newtona, która przyjmuje postać równania

(3)
\( ma=mg-\mathit{\gamma v} \)

lub

\( m\frac{\mathit{dv}}{\mathit{dt}}=mg-\mathit{\gamma v} \)


Rozwiązaniem równania różniczkowego ( 4 ) jest funkcja \( v(t) \)

(5)
\( v(t)=\frac{mg}{\gamma}\left(1-e^{{-{\frac{\gamma}{m}}\;t}}\right)=v_{gr}\left(1-e^{{-{\frac{\gamma}{m}}\;t}}\right) \)


Zależność ta jest wykreślona na Rys. 1 poniżej. Widać, że po odpowiednio długim czasie prędkość osiąga wartość graniczną.

: Zależność prędkości od czasu
Rysunek 1: Zależność prędkości od czasu


Otrzymaliśmy więc równanie \( v(t) \) opisujące ruch ciała.


Ostatnio zmieniona Sobota 09 z Lipiec, 2022 17:58:33 UTC Autor: Zbigniew Kąkol, Kamil Kutorasiński
Zaloguj się/Zarejestruj w OPEN AGH e-podręczniki
Czy masz już hasło?

Hasło powinno mieć przynajmniej 8 znaków, litery i cyfry oraz co najmniej jeden znak specjalny.

Przypominanie hasła

Wprowadź swój adres e-mail, abyśmy mogli przesłać Ci informację o nowym haśle.
Dziękujemy za rejestrację!
Na wskazany w rejestracji adres został wysłany e-mail z linkiem aktywacyjnym.
Wprowadzone hasło/login są błędne.