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【趣味物理题】降落伞

2021-10-04 10:53 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

郑涛(Tao Steven Zheng)著

【问题】

有一位跳伞者从飞机上掉下来,他在降落时打开降落伞。空气阻力与速度平方成正比 %7BF%7D_%7Bdrag%7D%20%3D%20cv%5E2%20


题一:求得运动方程(equation of motion), 计算终端速度(terminal velocity)%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D

题二: 把运动方程改写成微分方程(differential equation),然后用这个微分方程来推得定积分(definite integral)

%20%5Cint_%7B0%7D%5E%7Bv%7D%20%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bv_%7B%5Ctau%7D%5E%7B2%7D%20-%20v%5E2%7D%20%3D%20-%5Cfrac%7Bg%7D%7Bv_%7B%5Ctau%7D%5E%7B2%7D%7D%20%5Cint_%7B0%7D%5E%7Bt%7D%20dt


题三:求解以上定积分,然后解速度 v(t)


提示
%5Cint%20%5Cfrac%7B1%7D%7Ba%5E2%20-%20x%5E2%7D%20dx%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2a%7D%20%5Cln%7B%5Cleft(%5Cfrac%7Ba%20%2B%20x%7D%7Ba%20-%20x%7D%20%5Cright)%7D%20%2B%20C

【题解】

题一
在跳伞者身上画两种力:重力(gravity)和空气阻力(air-resistance / drag)。


%20%7BF%7D_%7Bnet%7D%20%3D%20F_g%20%2B%20%7BF%7D_%7Bdrag%7D

已知 F_g%20%3D%20-mg%20%7BF%7D_%7Bdrag%7D%20%3D%20cv%5E2%20,所以

%7BF%7D_%7Bnet%7D%20%3D%20-mg%20%2B%20cv%5E2%20

下落物体达到终端速度(terminal velocity)时处于平衡状态(equilibrium),因此,

0%20%3D%20-mg%20%2B%20cv_%7B%5Ctau%7D%5E%7B2%7D%20%20

cv_%7B%5Ctau%7D%5E%7B2%7D%20%3D%20mg

%20v_%7B%5Ctau%7D%20%3D%20%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Bmg%7D%7Bc%7D%7D%20


题二
牛顿第二运动定律说明 F_%7Bnet%7D%20%3D%20ma,然后 a%20%3D%20%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdt%7D,所以

m%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdt%7D%20%3D%20-mg%20%2B%20cv%5E2

因为 c%20%3D%20%5Cfrac%7Bmg%7D%7Bv_%7B%5Ctau%7D%5E%7B2%7D%7D%20

%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdt%7D%20%3D%20-g%20%2B%20%5Cfrac%7Bg%7D%7Bv_%7B%5Ctau%7D%5E%7B2%7D%7Dv%5E2%20

v_%7B%5Ctau%7D%5E%7B2%7D%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdt%7D%20%3D%20-g(v_%7B%5Ctau%7D%5E%7B2%7D%20-%20v%5E2)%20

因此,


%5Cint_%7B0%7D%5E%7Bv%7D%20%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bv_%7B%5Ctau%7D%5E%7B2%7D%20-%20v%5E2%7D%20%3D%20-%5Cfrac%7Bg%7D%7Bv_%7B%5Ctau%7D%5E%7B2%7D%7D%20%5Cint_%7B0%7D%5E%7Bt%7D%20dt


题三
使用部分分式积分法(integration by partial fractions)或使用提示计算题二的定积分

%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%7D%5Cln%7B%5Cleft(%5Cfrac%7B%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%20%2B%20v%7D%7B%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%20-%20v%7D%20%5Cright)%7D%20%3D%20-%5Cfrac%7Bg%7D%7Bv_%7B%5Ctau%7D%5E%7B2%7D%7D%20t%20

求解速度

%5Cleft(%5Cfrac%7B%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%20%2B%20v%7D%7B%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%20-%20v%7D%20%5Cright)%20%3D%20%7Be%7D%5E%7B-%5Cfrac%7B2g%7D%7B%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%7D%20t%7D

%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%20%2B%20v%20%3D%20%7Be%7D%5E%7B-%5Cfrac%7B2g%7D%7B%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%7D%20t%7D%20%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%20-%20%7Be%7D%5E%7B-%5Cfrac%7B2g%7D%7B%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%7D%20t%7D%20v%20

v%20%2B%20%7Be%7D%5E%7B-%5Cfrac%7B2g%7D%7B%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%7D%20t%7D%20v%20%3D%20-%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%20%2B%20%7Be%7D%5E%7B-%5Cfrac%7B2g%7D%7B%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%7D%20t%7D%20%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%20

%20v(t)%20%3D%20-%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%20%5Cleft(%5Cfrac%7B1-%7Be%7D%5E%7B-%5Cfrac%7B2g%7D%7B%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%7D%20t%7D%7D%7B1%2B%7Be%7D%5E%7B-%5Cfrac%7B2g%7D%7B%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D%7D%20t%7D%7D%20%5Cright)



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