2.7. Движение тела, брошенного под углом к горизонту

Рассмотрим в качестве примера применения выведенных формул движение тела, брошенного под углом к горизонту в отсутствии сопротивления воздуха. Скажем, на горе, на высоте над уровнем моря стоит пушка, охраняющая прибрежные воды. Пусть снаряд выпускается под углом к горизонту с начальной скоростью из точки , положение которой определяется радиус-вектором (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Движение тела, брошенного под углом к горизонту

Дополнение.

Вывод уравнений движения материальной точки в поле силы тяжести

Напишем уравнение движения (уравнение второго закона Ньютона):

(2.7.1)

Как уже было сказано, мы учитываем только силу тяжести .

Масса тела в уравнении движения сокращается

(2.7.2)

это означает, что тела — материальные точки — любых масс при одних и тех же начальных условиях будут двигаться в однородном поле тяжести одинаково. Спроектируем уравнение (2.7.2) на оси декартовой системы координат. Горизонтальная ось ОХ показана на рис. 13 пунктиром, ось OY проведем через точку О вертикально вверх, а горизонтальную ось OZ, также проходящую через точку О, направим перпендикулярно вектору на нас. Получаем:

(2.7.3)

Вертикальным направлением, по определению, называется направление вектора , поэтому его проекции на горизонтальные оси OX и OY равны нулю. Во втором уравнении учтено, что вектор направлен вниз, а ось OY — вверх.

Рис. 2.17. Движение тела, брошенного под углом к горизонту.

Добавим к уравнениям движения начальные условия, которые определяют положение и скорость тела в начальный момент времени t₀, пусть t₀ = 0. Тогда, согласно рис. 2.7.4

(2.7.4)

Или в проекциях на оси координат:

(2.7.5)

Если производная некоторой функции равна нулю, то функция постоянна, соответственно из первого и третьего уравнений (2.7.3) получаем:

(2.7.6)

Константы находятся из начальных условий, а именно: из первого и третьего уравнений (2.7.5) следует, что в любой момент времени

(2.7.7)

Во втором уравнении (2.7.3) производная равна константе, откуда следует, что функция зависит от своего аргумента линейно, то есть

(2.7.8)

Эта константа также находится из начальных условий. Подставляя в (2.7.8) t = 0 и сравнивая результат (v_y(0) = const) cо вторым уравнением в (2.7.5) получаем

(2.7.9)

Объединяя (2.7.7) и (2.7.9), получаем окончательные выражения для зависимостей проекций скорости на оси координат от времени:

(2.7.10)

Для определения зависимостей от времени координат тела необходимо выполнить еще одно интегрирование — проинтегрировать по времени уравнения (2.7.10) с учетом начальных условий (2.7.5). Используя ту же логику: если производная равна нулю, то функция постоянна, если производная постоянна, то функция зависит от своего аргумента линейно, и подбирая константы так, чтобы удовлетворить начальные условия, можно получить следующий результат:

(2.7.11)

Третье уравнение (2.7.11) показывает, что траектория тела плоская, целиком лежит в плоскости XOY, это вертикальная плоскость, определяемая векторами и . Очевидно, что последнее утверждение общее: как бы ни были выбраны направления осей координат, траектория тела брошенного под углом к горизонту плоская, она всегда лежит в плоскости, определяемой вектором начальной скорости и вектором ускорения свободного падения .

Если три уравнения (2.7.10) умножить на орты осей , , и и сложить, а потом то же самое проделать с тремя уравнениями (2.7.11), то мы получим зависимости от времени вектора скорости частицы и её радиус вектора. С учетом начальных условий имеем:

(2.7.12)

(2.7.13)

Формулы (2.7.12) и (2.7.13) можно было получить сразу, непосредственно из (2.7.2), если учесть, что ускорение свободного падения есть постоянный вектор. Если ускорение — производная от вектора скорости — постоянно, то вектор скорости зависит от времени линейно, а радиус-вектор, производная по времени от которого и есть линейно зависящий от времени вектор скорости, зависит от времени квадратично. Это и записано в соотношениях (2.7.12) и (2.7.13) с константами — постоянными векторами — подобранными соответственно начальным условиям в форме (2.7.4).

Из (2.7.13) в частности видно, что радиус-вектор является суммой трех векторов, складывающихся по обычным правилам, что наглядно показано на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Представление радиус-вектора r(t) в произвольный момент времени t в виде суммы трех векторов

Эти векторы представляют собой:

начальное положение снаряда;

перемещение (то есть как если бы сила тяжести отсутствовала);

перемещение под действием силы тяжести (свободное падение в отсутствие начальной скорости).

Здесь отчетливо проявляется принцип независимости движений, известный в других областях физики как принцип суперпозиции (наложения). Вообще говоря, согласно принципу суперпозиции результирующий эффект нескольких воздействий представляет собой сумму эффектов от каждого воздействия в отдельности. Он является следствием линейности уравнений движения.

Видео 2.3. Независимость горизонтального и вертикального перемещений при движении в поле тяжести.

Поместим начало отсчета в точку бросания. Теперь =0, оси, как и ранее, развернем так, чтобы ось 0x была горизонтальной, ось 0у — вертикальной, а начальная скорость лежала в плоскости х0у (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Проекции начальной скорости на координатные оси

Спроецируем на оси координат (см.(2.7.11)):

Траектория полета. Если из системы полученных уравнений исключить время t, то получим уравнение траектории:

(2.7.14)

Это уравнение параболы, ветви которой направлены вниз.

Дальность полета при стрельбе с высоты h. В момент падения тела (снаряд попадает в цель, находящуюся на поверхности моря). Расстояние по горизонтали от пушки до цели равно при этом . Подставляя ; в уравнение траектории, получаем квадратное уравнение для дальности полета :

У квадратного уравнения имеется два решения (в данном случае — положительное и отрицательное). Нам нужно положительное решение. Стандартное выражение для корня квадратного уравнения нашей задачи может быть приведено к виду:

(2.7.15)

При отсюда получается известная формула школьного курса физики

Из нее следует, в частности, что максимальная дальность полета

(2.7.16)

достигается при , если h = 0.

Максимальная дальность полета. При выстреле с горы высотой это уже не так. Найдем угол , при котором достигается максимальная дальность полета. Зависимость дальности полета от угла достаточно сложна, и вместо дифференцирования для нахождения максимума мы поступим следующим образом. Представим себе, что мы увеличиваем начальный угол . Сначала дальность полета растет (см. формулу (2.7.15)), достигает максимального значения и снова начинает падать (до нуля при выстреле вертикально вверх). Таким образом, для каждой дальности полета, кроме максимальной, соответсвует два направления начальной скорости.

Обратимся снова к квадратному уравнению относительности дальности полета и рассмотрим его как уравнение для угла . Учитывая, что

перепишем его в виде:

Мы снова получили квадратное уравнение, на этот раз — для неизвестной величины . Уравнение имеет два корня, что соответствует двум углам, при которых дальность полета равна . Но когда , оба корня должны совпасть. Это означает, что равен нулю дискриминант квадратного уравнения:

откуда следует результат

При этот результат воспроизводит формулу (2.7.16)

Обычно высота много меньше дальности полета на равнине. При квадратный корень может быть аппроксимирован первыми членами разложения в ряд Тейлора и мы получаем приближенное выражение

то есть дальность выстрела увеличивается примерно на высоту подъема пушки.

Когда l = l_max, и a = a_max, как уже отмечалось, дискриминант квадратного уравнения равен нулю, соответственно, его решение имеет вид:

Поскольку тангенс меньше единицы, угол, при котором достигается максимальная дальность полета, меньше .

Максимальная высота подъёма над начальной точкой. Эта величина может быть определена из равенства нулю вертикальной составляющей скорости в верхней точке траектории

При этом горизонтальная составляющая скорости не равна нулю, поэтому

Дифференцируя ранее полученное уравнение траектории, приходим к уравнению:

Отсюда

что при подстановке в уравнение траектории полета приводит к формуле:

(2.7.17)

Продолжительность полета. Поскольку горизонтальная составляющая скорости не меняется, то продолжительность полета определяется как отношение дальности полета к горизонтальной составляющей начальной скорости, то есть

При получаем

При (пушка стреляет в горизонтальном направлении) время полета

равно времени падения тела с высоты . Дальность полета при этом

Путь, пройденный телом. За время t тело проходит путь

Интеграл берется в элементарных функциях, но из-за громоздкости ответа мы не выписываем здесь соответствующее выражение.

Расстояние от места выстрела. К моменту времени t расстояние от места выстрела определяется модулем радиус-вектора:

Радиус кривизны траектории в заданной точке. В отсутствие сопротивления воздуха тело движется с постоянным ускорением силы тяжести , которое и является полным ускорением.

Тангенциальная компонента ускорения, характеризующая быстроту изменения модуля скорости, равна

Нормальная компонента ускорения, изменяющая направление скорости тела, определяется соотношением:

Используя связь нормальной компоненты ускорения с радиусом кривизны, находим :

В числителе этого выражения в степени 3/2 стоит модуль скорости. Поэтому, даже не вычисляя производной, мы можем ответить на вопрос, в какой точке траектории кривизна максимальна, а радиус кривизны C = 1/R минимален. Радиус кривизны R достигает минимума там, где минимальна скорость, а это имеет место в верхней точке траектории, в которой вертикальная компонента скорости равна нулю:

Еще раз напомним, что горизонтальная компонента скорости, всюду имеет одно и то же значение. В верхней точке модуль скорости равен горизонтальной составляющей скорости

поэтому

Для сравнения: радиус кривизны в начальный момент равен

Положение центра кривизны (для высшей точки траектории). По определению радиуса кривизны центр кривизны для высшей точки траектории находится прямо под этой точкой на высоте

Напомним, что мы отсчитываем вертикальные расстояния от уровня пушки, а не от уровня моря.

При

эта координата отрицательна, то есть центр кривизны находится ниже пушки. Максимально высокое положение центр кривизны занимает при :

что совпадает с верхней точкой траектории. Тогда радиус кривизны равен нулю. Это значит, что кривизна в этой точке бесконечна, в чем легко убедиться, представив себе траекторию при вертикальном движении снаряда.

8/9