ID: 00041078
Тело, свободно падающее с некоторой высоты из состояния покоя, за время $\tau = 1\ \text{с}$ после начала движения проходит путь в $n = 5$ раз меньший, чем за такой же промежуток времени в конце движения. Найдите полное время движения. Укажите условия применимости используемых законов.
Дано:
$\tau = 1\ \text{с}$
$n = 5$
$v_0 = 0$
Найти: $t_0$
---
Шаг 1. Вводим обозначения.
Пусть $H$ — вся высота падения, $t_0$ — полное время падения, $S_1$ — путь за первую секунду, $S_2$ — путь за последнюю секунду. По условию:
$S_2 = n S_1$
Шаг 2. Путь за первую секунду.
Тело падает из состояния покоя, значит $v_0 = 0$, и путь за время $t$ считается по формуле
$S = \dfrac{g t^2}{2}$
За первую секунду:
$S_1 = \dfrac{g \tau^2}{2}$
Шаг 3. Путь за последнюю секунду.
Здесь ловушка: формулу нельзя применить напрямую, потому что в начале последней секунды тело уже летит с приличной скоростью, а не с нуля. Поэтому пользуемся хитростью — считаем путь как разность.
Весь путь за время $t_0$:
$H = \dfrac{g t_0^2}{2}$
Путь, пройденный к началу последней секунды, то есть за время $t_0 - \tau$:
$H_1 = \dfrac{g (t_0 - \tau)^2}{2}$
Последняя секунда — это разность:
$S_2 = H - H_1 = \dfrac{g t_0^2}{2} - \dfrac{g (t_0 - \tau)^2}{2}$
Шаг 4. Упрощаем.
Выносим $\dfrac{g}{2}$ за скобку и раскрываем квадрат разности:
$S_2 = \dfrac{g}{2} \left( t_0^2 - (t_0 - \tau)^2 \right) = \dfrac{g}{2} \left( t_0^2 - t_0^2 + 2 t_0 \tau - \tau^2 \right)$
$S_2 = \dfrac{g}{2} \left( 2 t_0 \tau - \tau^2 \right) = \dfrac{g \tau}{2} \left( 2 t_0 - \tau \right)$
Шаг 5. Подставляем условие задачи.
$S_2 = n S_1$
$\dfrac{g \tau}{2} \left( 2 t_0 - \tau \right) = n \cdot \dfrac{g \tau^2}{2}$
Сокращаем обе части на $\dfrac{g \tau}{2}$ — заметь, что ускорение свободного падения выпало из задачи целиком:
$2 t_0 - \tau = n \tau$
$2 t_0 = \tau (n + 1)$
$t_0 = \dfrac{\tau (n + 1)}{2}$
Шаг 6. Считаем.
$t_0 = \dfrac{1\ \text{с} \cdot (5 + 1)}{2} = 3\ \text{с}$
Проверка. За первую секунду тело пролетит $S_1 = \dfrac{10 \cdot 1^2}{2} = 5\ \text{м}$. Вся высота: $H = \dfrac{10 \cdot 3^2}{2} = 45\ \text{м}$, а за первые 2 секунды: $\dfrac{10 \cdot 2^2}{2} = 20\ \text{м}$. Значит за последнюю секунду тело пролетело $45 - 20 = 25\ \text{м}$, и это ровно в 5 раз больше 5 м. Сходится.
Ответ: $t_0 = \dfrac{\tau (n + 1)}{2} = 3\ \text{с}$
---
УСЛОВИЯ ПРИМЕНИМОСТИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ЗАКОНОВ
1. Тело считаем материальной точкой — его размеры малы по сравнению с высотой падения.
2. Сопротивление воздуха не учитываем: падение считается свободным, то есть под действием одной только силы тяжести. Иначе тело выходило бы на постоянную скорость и путь за последние секунды перестал бы расти.
3. Ускорение свободного падения постоянно по модулю и направлению — высота падения мала по сравнению с радиусом Земли.
4. Система отсчёта, связанная с Землёй, считается инерциальной.
5. Начальная скорость строго равна нулю (тело отпускают, а не бросают) — только тогда работает формула $S = \dfrac{g t^2}{2}$.
Ответ: $t_0 = \dfrac{\tau (n + 1)}{2} = 3\ \text{с}$