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【趣味物理題】降落傘

2021-10-04 10:53 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

鄭濤(Tao Steven Zheng)著

【問題】

有一位跳傘者從飛機上掉下來,他在降落時打開降落傘??諝庾枇εc速度平方成正比 %7BF%7D_%7Bdrag%7D%20%3D%20cv%5E2%20。


題一:求得運動方程(equation of motion), 計算終端速度(terminal velocity)%7Bv%7D_%7B%5Ctau%7D。

題二: 把運動方程改寫成微分方程(differential equation),然后用這個微分方程來推得定積分(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


題三:求解以上定積分,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

【題解】

題一
在跳傘者身上畫兩種力:重力(gravity)和空氣阻力(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

下落物體達到終端速度(terminal velocity)時處于平衡狀態(tài)(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


題二
牛頓第二運動定律說明 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

因為 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


題三
使用部分分式積分法(integration by partial fractions)或使用提示計算題二的定積分

%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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