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物理整活篇——20200912

2022-09-12 19:05 作者:十一維的魚  | 我要投稿

本期主題見標(biāo)題——整活!起因是今早我起床癱在床上擺爛刷b站,看到了這樣一個視頻

,看到這個我便來了興致,說實話我連站在地上投籃都進不了更可能做到這樣的事情,但是我是一名物理系的準(zhǔn)大一生,我可以算啊。

那么正片開始,這個運動過程其實和我們所學(xué)過的平拋運動差不多,只不過要考慮一下空氣阻力,空氣浮力而已,但計算方法都是一樣的,照例水平豎直分解。

那么我們先算豎直:

由牛頓第二定律有

ma%3Dmg-F_%E9%98%BB-F_%E6%B5%AE

其中空氣浮力的公式大家初中就學(xué)過了

F_%E6%B5%AE%3DF_h%3D%5Crho%20_%7Ba%7DgV_%E6%8E%92

(h代表buoyancy,a代表air,每日英語測試完成)

由于籃球墜落的速度實在不大可能超過2.5馬赫,這過于離譜,所以我們認(rèn)為

F_%E9%98%BB%3DF_r%3Dkv

(r代表resistance,補昨天的英語測試)

代入表達(dá)式有

ma%3Dmg-kv-%5Crho%20g%20V

其中

a%3D%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdt%7D

接下來就是要求出v關(guān)于t的表達(dá)式

%5Cbegin%7Baligned%7D%0Am%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdt%7D%26%3Dmg-kv-%5Crho%20g%20V%0A%5C%5C%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdt%7D%26%3D(%5Cfrac%7Bm-%5Crho%20gV%7D%7Bm%7D)g-%5Cfrac%7Bkv%7D%7Bm%7D%0A%5Cend%7Baligned%7D

簡單做個變形

dt%3D%5Ctext%5B%5Cfrac%7B1%7D%7B(%5Cfrac%7Bm-%5Crho%20V%7D%7Bm%7D)g-%5Cfrac%7Bkv%7D%7Bm%7D%7D%5Ctext%5Ddv

兩邊同時積分

%5Cbegin%7Baligned%7Dt%26%3D%5Cint%5Ctext%5B%5Cfrac%7B1%7D%7B(%5Cfrac%7Bm-%5Crho%20V%7D%7Bm%7D)g-%5Cfrac%7Bkv%7D%7Bm%7D%7D%5Ctext%5Ddv%0A%5C%5Ct%26%3Dln%5Ctext%5B(%5Cfrac%7Bm-%5Crho%20V%7D%7Bm%7D)g-%5Cfrac%7Bkv%7D%7Bm%7D%5Ctext%5D.(-%5Cfrac%7Bm%7D%7Bk%7D)%0A%5C%5Cv%26%3D(%5Cfrac%7Bm-%5Crho%20V%7D%7Bk%7D)g-%5Cfrac%7Bm%7D%7Bke%5E%7B%5Cfrac%7Bkt%7D%7Bm%7D%7D%7D%0A%5Cend%7Baligned%7D

這樣我們就順利得出了v關(guān)于t的表達(dá)式,也就可以求出這個樓的高度

從視頻中可以得知球的滯空時間約為7秒(在這樣的尺度下籃筐高度可以忽略),查資料可知籃球的質(zhì)量約為0.6kg

籃球半徑約為0.12m

籃球的空氣阻力系數(shù)約為0.55

空氣的密度約為1.23kg/(m^3)(注:由于溫差過小故將空氣的密度視為均勻)

重力加速度按9.8m/(s^2)

代入數(shù)據(jù)由fx-991有

h%3D%5Cint_%7B0%7D%5E%7B7%7D%20v%20%5C%20dt%3D72.5%5C%20m

這個數(shù)值是合理的同時也不用考慮g和T的變換,是如此的完美!

接下來考慮橫向:

起初我認(rèn)為橫向為勻速運動,但仔細(xì)看了視頻后我發(fā)現(xiàn)這并不合理,因為視頻中的籃球軌跡明顯是一個上凹函數(shù),而如果是勻速運動理應(yīng)是上凸函數(shù),經(jīng)過思考我得出了一個結(jié)論。

是風(fēng),這里面加了風(fēng)!

我本想隨便將風(fēng)速看成一個常量,當(dāng)勻加速運動水一下得了,但思來想去這也不合理,72.5米的落差,還有周圍樓房的遮擋,風(fēng)速不變不擺明把讀者當(dāng)**嗎!這讓我于心不忍,但我也實在是懶得考慮這樣一個近似混沌的模型(你怎么知道風(fēng)怎么吹!你把周圍地理模型全給我我都不想算?。┧晕野扬L(fēng)看出一個和高度成正比方向沿籃球水平速度方向的一個變量,原諒我現(xiàn)在只能算到這個地步

v_w%3Dv_%7Bwo%7D-ch

其中v_%7Bwo%7D為樓頂處風(fēng)速,c為比例常數(shù)。

接下來就是求h關(guān)于t的表達(dá)式,這十分輕松,求解一個初等不定積分就ok

h%3D(%5Cfrac%7Bm-%5Crho%20V%7D%7Bk%7D)gt%2B%5Cfrac%7Bm%5E2%7D%7Bk%5E2e%5E%7B%5Cfrac%7Bkt%7D%7Bm%7D%7D%7D

再將這個方程代入風(fēng)速方程中

v_w%3D(72.5c%2B3.5)-c%5Ctext%5B(%5Cfrac%7Bm-%5Crho%20V%7D%7Bk%7D)gt%2B%5Cfrac%7Bm%5E2%7D%7Bk%5E2e%5E%7B%5Cfrac%7Bkt%7D%7Bm%7D%7D%7D%5Ctext%5D

注:第一個括號內(nèi)的3.5是因為地表為0級風(fēng)的可能基本為0,所以引入3級風(fēng)的風(fēng)速來使結(jié)論合理

設(shè)籃球出手后達(dá)到最高點的水平速度為v_o

其受到的水平風(fēng)力為

F_w%3Dk(v_w-v_0)

由動量定理有

%5Cbegin%7Baligned%7Dmv_x%3D%5Cint%20F_w%5C%20dt%26%3Dmv_0%2B(72.5c%2B3.5)t-c%5Ctext%5B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D(%5Cfrac%7Bm-%5Crho%20V%7D%7Bk%7D)gt%5E2-%5Cfrac%7Bm%5E3%7D%7Bk%5E3e%5E%7B%5Cfrac%7Bkt%7D%7Bm%7D%7D%7D%5Ctext%5D%0A%5C%5Cv_%7B%2F%2F%7D%26%3Dv_0%2B(72.5c%2B3.5)%5Cfrac%7Bt%7D%7Bm%7D-c%5Ctext%5B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D(%5Cfrac%7Bm-%5Crho%20V%7D%7Bkm%7D)gt%5E2-%5Cfrac%7Bm%5E2%7D%7Bk%5E3e%5E%7B%5Cfrac%7Bkt%7D%7Bm%7D%7D%7D%5Ctext%5D%0A%5Cend%7Baligned%7D

再進行一次積分我們就可以得到水平位移x與t的關(guān)系式

x%3D%5Cint%20v_%7B%2F%2F%7D%5C%20dt%3Dv_0t%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D(72.5c%2B3.5)%5Cfrac%7Bt%5E2%7D%7Bm%7D-c%5Ctext%5B%5Cfrac%7B1%7D%7B6%7D(%5Cfrac%7Bm-%5Crho%20V%7D%7Bkm%7D)gt%5E3%2B%5Cfrac%7Bm%5E3%7D%7Bk%5E4e%5E%7B%5Cfrac%7Bkt%7D%7Bm%7D%7D%7D%5Ctext%5D

我實在是不想去假設(shè)那些數(shù)值了,這里給出籃球在此過程中的參數(shù)方程

(v_0t%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D(72.5c%2B3.5)%5Cfrac%7Bt%5E2%7D%7Bm%7D-c%5Ctext%5B%5Cfrac%7B1%7D%7B6%7D(%5Cfrac%7Bm-%5Crho%20V%7D%7Bkm%7D)gt%5E3%2B%5Cfrac%7Bm%5E3%7D%7Bk%5E4e%5E%7B%5Cfrac%7Bkt%7D%7Bm%7D%7D%7D%5Ctext%5D%2C(%5Cfrac%7Bm-%5Crho%20V%7D%7Bk%7D)gt%2B%5Cfrac%7Bm%5E2%7D%7Bk%5E2e%5E%7B%5Cfrac%7Bkt%7D%7Bm%7D%7D%7D)

那么祝大家投籃成功!

終于是回歸專業(yè)了!











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