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計空氣阻力的情況,將一個小球豎直上拋到最高點的時間和從最高點落回上拋處的時間哪個更長?為什麽?

2021-02-24科學

觀前提示:定性分析的話看看其他答主的回答就好了,我的回答純粹出於個人愛好想要算一下,我承認自己水平不高,連高中還沒畢業(剛上高中)(doge),所以原答案中可能有算了一些不必要的東西,自己因為懶就不想刪去了,建議只看第一段和最後一段,中間算是計算時的思路歷程,沒事的話看著玩就行了。要是哪裏算錯了在評論區指出來就行,畢竟這個東西沒啥思維度的可能很多地方想當然。

首先我們先算一下上拋過程,這個比較簡單,記初速度為 v ,時間為 t ,小球品質為m,空氣粘滯系數為 k (我們考慮低速情況下設空氣阻力和速度成正比),則對於垂直方向 \frac{dv_{i}}{dt}=g+\frac{kv_{i}}{m} 。通分移項可得 dt=\frac{m}{mg+kv_{i}}*dv_{i} ,對等式兩側同時積分可得 t_{1}=m*\int_{-v}^{0}\frac{1}{kv_{i}+mg}*dv_{i}=\frac{m}{k}*ln^{\frac{kv+mg}{mg}} 。

然後再算一下下落過程,首先我們先算一下上升了多高 dH=v_{i}*dt 且 \frac{dv_{i}}{dt}=g+\frac{kv_{i}}{m} 解得 H=\frac{m*v}{k}-\frac{m*g}{k}*t_{1} 。下落時 dS=v_{i}*dt 且 \frac{dv_{i}}{dt}=g-\frac{kv_{i}}{m} 解得 S=\frac{mg}{k}*t_{2}-\frac{m}{k}*v_{2}

然後接下來要分兩種情況分析,一個是能在落地前加速到 \frac{mg}{k} ,另一種情況是不能。

一、能(經評論區提醒發現實際上永遠達不到,下面是原計算過程,本來以為不直接積分能曲線救國,結果直接爆錯,留以為鑒)

則 S=\frac{mg}{k}*t_{2}-\frac{m^2g}{k^2}=H ,解得 t_{2}=\frac{v}{g}+\frac{m}{k}*(1+ln^\frac{kv+mg}{mg}) ,和 t_{1} 比較顯然 t_{2} 更大,所以上升時更快,下落時更慢。

二、不能

設落地時的速度為 u ,則易得 t_{2}=-\frac{m}{k}*ln^\frac{mg-ku}{mg} ,此時顯然 t_{1} 更大,所以上升時更慢,下落時更快。

或者由 \frac{dv_{i}}{dt}=g+\frac{kv_{i}}{m} 解出 v=\frac{mg}{k}*(1-e^{-\frac{kt}{m}}) 然後對 t 積分得到 S=\frac{mgt}{k}+\frac{m}{k}*e^{-\frac{kt}{m}}=H 老老實實解出 t_{2} ……emmmm但是我不會解,有大佬教一下嗎?

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而如果直接對v分析,容易得到 a=\frac{dv}{dt}=-g-\frac{kv}{m} 即 dt=\frac{dv}{-g-\frac{kv}{m}} ,對兩側同時積分可以得到 ln^{\frac{v+\frac{mg}{k}}{v_{0}+\frac{mg}{k}}}=-\frac{k}{m}t ,化簡之後得到 v=(v_{0}+\frac{mg}{k})e^{-\frac{k}{m}t}-\frac{mg}{k} ,

會得到一條這樣的曲線,對函式二次求導會發現導函式單增且小於0,可以容易得到零點左側斜率比零點右側斜率大,所以在右側若要圍出和左側相同的面積時間要更多。