ID: 00041075
Два тела, находящихся на поверхности Земли, бросают с одинаковой скоростью: первое — под углом $\alpha = 60^\circ$ к горизонту, второе — под углом $\alpha/2$ к горизонту. Найти отношение максимальной высоты подъёма первого шарика к максимальной высоте подъёма второго. Укажите условия применимости используемых законов.
Дано:
$\alpha = 60^\circ$
Найти: $\dfrac{h_1}{h_2}$
---
Пусть начальная скорость обоих шариков равна $v_0$, а максимальные высоты подъёма — $h_1$ и $h_2$.
Направим ось $Oy$ вертикально вверх, начало отсчёта поместим в точку броска. Тогда координата тела меняется по закону
$y(t) = y_0 + v_{0y} t + \dfrac{a_y t^2}{2}$
где $y_0 = 0$ — начальная координата, $v_{0y} = v_0 \sin\alpha$ — проекция начальной скорости на вертикаль, $a_y = -g$ — проекция ускорения свободного падения (вектор направлен вниз, против оси $Oy$).
Для первого шарика на участке подъёма:
$h_1 = v_0 \sin\alpha \cdot t - \dfrac{g t^2}{2}$
Найдём время подъёма. Проекция скорости меняется по закону $v_y(t) = v_{0y} + a_y t$, а в верхней точке траектории вертикальная составляющая скорости обращается в ноль:
$0 = v_0 \sin\alpha - g t$
$t = \dfrac{v_0 \sin\alpha}{g}$
Подставляем это время в выражение для высоты:
$h_1 = v_0 \sin\alpha \cdot \dfrac{v_0 \sin\alpha}{g} - \dfrac{g}{2} \cdot \left( \dfrac{v_0 \sin\alpha}{g} \right)^2 = \dfrac{v_0^2 \sin^2\alpha}{2g}$
Для второго шарика все выкладки те же, меняется только угол броска:
$h_2 = \dfrac{v_0^2 \sin^2 \dfrac{\alpha}{2}}{2g}$
Находим отношение. Скорость $v_0$ и ускорение $g$ у обоих шариков одинаковы, поэтому они сокращаются:
$\dfrac{h_1}{h_2} = \dfrac{\sin^2 \alpha}{\sin^2 \dfrac{\alpha}{2}} = \dfrac{\sin^2 60^\circ}{\sin^2 30^\circ} = \dfrac{0{,}75}{0{,}25} = 3$
Ответ: $\dfrac{h_1}{h_2} = 3$
---
УСЛОВИЯ ПРИМЕНИМОСТИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ЗАКОНОВ
1. Тела считаем материальными точками — их размеры и вращение не влияют на движение центра масс.
2. Сопротивление воздуха не учитываем, иначе движение перестаёт быть равноускоренным и формулы кинематики с постоянным $a$ работать не будут.
3. Ускорение свободного падения считаем постоянным по модулю и направлению: высота подъёма мала по сравнению с радиусом Земли, а горизонтальный разлёт мал по сравнению с её размерами.
4. Система отсчёта, связанная с поверхностью Земли, считается инерциальной — вращением Земли пренебрегаем.
5. На тело действует только сила тяжести, поэтому ускорение равно $g$ и направлено вертикально вниз в течение всего полёта.
Ответ: $\dfrac{h_1}{h_2} = 3$