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计空气阻力的情况,将一个小球竖直上抛到最高点的时间和从最高点落回上抛处的时间哪个更长?为什么?

2021-02-24科学

观前提示:定性分析的话看看其他答主的回答就好了,我的回答纯粹出于个人爱好想要算一下,我承认自己水平不高,连高中还没毕业(刚上高中)(doge),所以原答案中可能有算了一些不必要的东西,自己因为懒就不想删去了,建议只看第一段和最后一段,中间算是计算时的思路历程,没事的话看着玩就行了。要是哪里算错了在评论区指出来就行,毕竟这个东西没啥思维度的可能很多地方想当然。

首先我们先算一下上抛过程,这个比较简单,记初速度为 v ,时间为 t ,小球质量为m,空气粘滞系数为 k (我们考虑低速情况下设空气阻力和速度成正比),则对于垂直方向 \frac{dv_{i}}{dt}=g+\frac{kv_{i}}{m} 。通分移项可得 dt=\frac{m}{mg+kv_{i}}*dv_{i} ,对等式两侧同时积分可得 t_{1}=m*\int_{-v}^{0}\frac{1}{kv_{i}+mg}*dv_{i}=\frac{m}{k}*ln^{\frac{kv+mg}{mg}} 。

然后再算一下下落过程,首先我们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} 。下落时 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}

然后接下来要分两种情况分析,一个是能在落地前加速到 \frac{mg}{k} ,另一种情况是不能。

一、能(经评论区提醒发现实际上永远达不到,下面是原计算过程,本来以为不直接积分能曲线救国,结果直接爆错,留以为鉴)

则 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} 比较显然 t_{2} 更大,所以上升时更快,下落时更慢。

二、不能

设落地时的速度为 u ,则易得 t_{2}=-\frac{m}{k}*ln^\frac{mg-ku}{mg} ,此时显然 t_{1} 更大,所以上升时更慢,下落时更快。

或者由 \frac{dv_{i}}{dt}=g+\frac{kv_{i}}{m} 解出 v=\frac{mg}{k}*(1-e^{-\frac{kt}{m}}) 然后对 t 积分得到 S=\frac{mgt}{k}+\frac{m}{k}*e^{-\frac{kt}{m}}=H 老老实实解出 t_{2} ……emmmm但是我不会解,有大佬教一下吗?

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而如果直接对v分析,容易得到 a=\frac{dv}{dt}=-g-\frac{kv}{m} 即 dt=\frac{dv}{-g-\frac{kv}{m}} ,对两侧同时积分可以得到 ln^{\frac{v+\frac{mg}{k}}{v_{0}+\frac{mg}{k}}}=-\frac{k}{m}t ,化简之后得到 v=(v_{0}+\frac{mg}{k})e^{-\frac{k}{m}t}-\frac{mg}{k} ,

会得到一条这样的曲线,对函数二次求导会发现导函数单增且小于0,可以容易得到零点左侧斜率比零点右侧斜率大,所以在右侧若要围出和左侧相同的面积时间要更多。