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真正的自由落体运动公式

2022-07-13 18:59 作者:青肉Ong-gia  | 我要投稿

高中的时候我们应该都学过自由落体运动公式

h%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20gt%5E2

t%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B2h%7D%7Bg%7D%20%7D%20%0A

v%3Dgt

这些公式在日常生活中当然是没问题的

但是

有个小小的问题,地球上g的值本身就是随h而变化,而以上那些公式不过是下落高度较小时的近似处理

那么真正的自由落体公式是咋样的呢


我们设物体离地高度为h,物体质量为m,取物体与地心连线为y轴,向上为正方向,设物体t时刻所在位置为y,那么速度v%3D%5Cfrac%7Bdy%7D%7Bdt%7D%20

根据牛顿第二定律与万有引力定律有微分方程m%5Cfrac%7Bd%5E2%20%20y%7D%7Bdt%5E2%20%7D%20%3D-%5Cfrac%7BGMm%20%7D%7By%5E2%7D%20(M为地球质量)

根据黄金代换式GM%3DgR%5E2,方程可化为%5Cfrac%7Bd%5E2%20%20y%7D%7Bdt%5E2%20%7D%20%3D-%5Cfrac%7BgR%5E2%20%7D%7By%5E2%7D%20,初始条件为y%5Cvert%20_%7Bt%3D0%7D%20%3Dh%2BR%2C%5Cfrac%7Bdy%7D%7Bdt%7D%20%5Cvert%20_%7Bt%3D0%7D%20%3D0

这是个二阶微分方程,按照常规方法降次即可,首先把二阶导去掉

%5Cfrac%7Bd%5E2y%20%7D%7Bdt%5E2%20%7D%20%3D%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdt%7D%20%3Dv%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdy%7D%20

接下来分离变量vdv%3D-%5Cfrac%7BgR%5E2%20%7D%7By%5E2%20%7D%20dy

两边同时积分

v%5E2%3D%5Cfrac%7B2gR%5E2%20%7D%7By%7D%20%2BC_%7B1%7D%20

再代入初始条件解出积分常数

C_%7B1%7D%20%3D-%5Cfrac%7B2gR%5E2%20%7D%7BR%2Bh%7D%20

所以可得

v%3D-R%5Csqrt%7B2g(%5Cfrac%7B1%7D%7By%7D-%5Cfrac%7B1%7D%7BR%2Bh%7D%20)%20%7D%20

令y等于R代入上式可得落地速度

v%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B2gRh%7D%7BR%2Bh%7D%20%7D%20

若h趋于无穷大,可知v=11.2km/s,即第二宇宙速度

由上式可知当%5Cfrac%7Bh%7D%7BR%7D%20%5Crightarrow%200时,v%3D%5Csqrt%7B2gh%7D%20%0A
这就是正常的自由落体运动公式

接下来算时间


v%3D%5Cfrac%7Bdy%7D%7Bdt%7D%20%3D-R%5Csqrt%7B2g(%5Cfrac%7B1%7D%7By%7D-%5Cfrac%7B1%7D%7BR%2Bh%7D%20)%20%7D%20

分离变量

dt%3D-%5Csqrt%7B%5Cfrac%7BR%2Bh%7D%7B2gR%5E2%20%7D%20%7D%20%5Csqrt%7B%5Cfrac%7By%7D%7BR%2Bh-y%7D%20%7Ddy%20

积分

t%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7BR%2Bh%7D%7B2gR%5E2%20%7D%20%7D·(%5Csqrt%7B(R%2Bh)y-y%5E2%7D%20%2B(R%2Bh)arccos%5Csqrt%7B%5Cfrac%7By%7D%7BR%2Bh%7D%20%7D%20)%2BC_%7B2%7D%20

(这公式太长分两行写)

代入初始条件

C_%7B2%7D%3D0

t%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7BR%2Bh%7D%7B2gR%5E2%20%7D%20%7D·(%5Csqrt%7B(R%2Bh)R-R%5E2%7D%20%2B(R%2Bh)arccos%5Csqrt%7B%5Cfrac%7BR%7D%7BR%2Bh%7D%20%7D%20)


这就是落地用时




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