20.68 m / sの速度で上昇しているヘリコプターから高度174.9 mで石が落下した場合、石は地面に到達するまでどのくらいかかりますか。

20.68 m / sの速度で上昇しているヘリコプターから高度174.9 mで石が落下した場合、石は地面に到達するまでどのくらいかかりますか。
Anonim

回答:

8.45秒

説明:

加速度について話すときの 'g'の方向は、定義した座標系によって異なります。例えば、もしあなたが下方を正の 'y'と定義するならば、gは正になるでしょう。慣習は、gが負になるように正として上に向くことです。これが私たちが使うものであり、私たちはまた、 #y = 0#

#色(赤)( "編集:")# 最初に学んだ運動学的方程式を使ったアプローチを一番下に追加しました。ここで行ったことは、微積分を使用してこれらを導き出すことだけですが、それをカバーしていない可能性があります。非微積分法の場合は、赤いタイトルまでスクロールします。

ニュートンの第二法則をゼロから始めてみると、これをもっと詳しく見ることができます。石が落下するとき、それは初速度を持っています、しかしそれに作用する唯一の力は重力によるものです。上方向を正のy方向と定義したので、ニュートンの2番目の法則では、

#m(d ^ 2y)/(dt ^ 2)= -mg#

#(d ^ 2y)/(dt ^ 2)= -g#

これは、石が地球に向かって加速するためです。これを、マイナス方向と定義しました。

この式を積分すると次のようになります。

#(dy)/(dt)= -g t + C#

#(dy)/(dt)= y '(t)# は石の速度なので、初期速度を #y '(0)= + 20.68# 私達は着きます

#20.68 = g * 0 + C#

#implies C = 20.68#

#(dy)/(dt)= 20.68 - g t#

これは速度をモデル化したものであり、あなたがそれを考えれば意味があります。それが解放されるとき、それはヘリコプターと同じ速度を持っているので、しばらくの間上向きに動きますが、時間が進むにつれてそれは停止してから落下し始めます。

変位を見つけるために、我々は再び積分する:

#y(t)= 20.68t - 1 / 2g t ^ 2 + C#

初期条件を適用 #y(0)= 174.9#

#174.9 = 20.68 * 0 - 1 / 2g * 0 ^ 2 + C#

#implies C = 174.9#

#したがって、y(t)= 20.68t - 1 / 2g t ^ 2 + 174.9#

地面に到達する時間を解決するには、 #y = 0# そして二次方程式を解く:

#1 / 2g t ^ 2 - 20.68t - 174.9 = 0#

これは間違いなく二次式の仕事です。

#t =(20.68 + -sqrt(20.68 ^ 2 - 4(1 / 2g)( - 174.9)))/ g#

撮影 #g = 9.8ms ^( - 2)#

#t = 8.45または-4.23#

私たちはネガティブな解決策を捨てるので、石は地面に当たるのに8.45秒かかります。

#color(赤)(「いいえ微積分法」)#

私達はことを知っています #でv = v_0 + どこで #v# 最終速度です。 #v_0# 初速度です。 #a# 加速です #t# それが適用される時間です。

先に述べたように、上向きの座標系 #g# 負の値になりますが、石は最初の速度のため最初は上に移動します。上方向への移動が止まるポイントを見つけます。

セット #v = 0#

#0 = v_0 - g t#

#したがって、t = v_0 / g = 20.68 / 9.8#

今すぐ使用

#S = v_0t + 1 / 2at ^ 2# またもや #a = -g#

そう #S = v_0(v_0 / g)-1 / 2g(v_0 / g)^ 2#

#S =(v_0)^ 2 / g - v_0 ^ 2 /(2g)#

#S =(20.68)^ 2 / 9.8 - (20.68 ^ 2)/(2 * 9.8)#

#S = 21.8m#

これは、石が一時停止することを意味します #y = 174.9 + 21.8#

#y = 196.7m#

今、私たちは、この高さからまっすぐ落ちるだけで、厄介な初期速度に対処する必要はありません。

#S = v_0t -1 / g t ^ 2#

#v_0 = 0#

上向きが正であるように、落下は負の変位をもたらすでしょう。

#-196.7 = -1 / 2g t ^ 2#

#196.7 = 1/2 g t ^ 2#

#t = sqrt((2 * 196.7)/9.8)#

#t = 8.45# 要求に応じ。

回答:

8.45秒

説明:

ヘリコプターは速度で上昇しています #u = 20.68m / s# そのため、そこから落下した石はヘリコプターの上昇速度と同じ初速度を持ちますが、下向きの重力によって下向きの加速度(g)が与えられます。

原点としてヘリコプターから石を落とすことのポイントを考えると、我々は以下のように進みます

もし 上向き 初速度を取る ポジティブ それから 下向き加速度(g) ように取られるべきです そして 下方変位(h) また考慮されるべきです .

#color(赤)( "ここでは上向き+ ve、下向き-ve")#

今着地の時間(t)の計算

だから我々は持っています

#u = + 20.68m / s#

#g = -9.8m / s ^ 2#

#h = -174.9m#

#t =?#

これらを重力下の運動方程式に挿入する (変数h、u、g、tからなる) 我々が得る

#h = uxxt + 1 / 2xxgxxt ^ 2#

#=> - 174.9 = 20.68xxt-1 / 2xx9.8xxt ^ 2 ….(1)#

#=> 4.9t ^ 2-20.68t-174.9 = 0#

#=> t =(20.68 + sqrt(( - 20.68)^ 2-4 * 4.9 *( - 174.9)))/(2 * 4.9)#

#:t = 8.45秒#

方向を逆にすると、同じ式(1)が得られます。#color(赤)(「すなわち上向き - 下向き+ ive」)#