4.7
Ruch pocisku: przykład
Teoria ruchu pocisku jest bardzo przydatna dla zawodników różnych dyscyplin sportowych w celu poprawy ich wyników. Na przykład rzucający oszczepem mus…
Wyobraźmy sobie łucznika wystrzeliwującego strzałę w taki sposób, że podąża ona za trajektorią pocisku. Przypomnijmy, że zasięg pocisku zależy od kwadratu prędkości początkowej i sin2θ.
Teraz sin2θ ma maksymalną wartość 1, gdy theta jest równa 45°. W takim przypadku zasięg pocisku byłby maksymalny dla danej prędkości początkowej.
Weźmy pod uwagę dwie strzały wystrzelone pod kątem 30 i 60°, o tej samej prędkości początkowej 50 metrów na sekundę. Przyspieszenie grawitacyjne dla obu strzał wynosi 9,8 metra na sekundę do kwadratu.
W związku z tym, podstawiając wartości prędkości i kąta, zasięg pokonywany przez obie strzałki wynosi 220,9 metra.
Tutaj, ponieważ sin(180 − sin2θ) jest równe 2θ, zasięg pocisku dla komplementarnych kątów startu jest taki sam.
Jednak maksymalna wysokość, jaką osiąga każda strzała, jest proporcjonalna do kwadratu prędkości początkowej i sin2θ. Dlatego maksymalna wysokość jest różna w obu przypadkach.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why does a projectile launched at 45 degrees travel farther than one launched at other angles?
The range of a projectile depends on the square of initial speed and sin(2θ). Since sin(2θ) reaches its maximum value of 1 when θ equals 45°, the range is maximized at this angle for any given initial velocity. This is why javelin throwers aim for launch angles as close to 45° as possible to achieve maximum distance.
Q2: Do arrows launched at 30 and 60 degrees with the same initial speed travel the same distance?
Yes, complementary launch angles produce identical ranges. For arrows launched at 30° and 60° with an initial velocity of 50 m/s, both travel 220.9 meters. This occurs because sin(2θ) equals sin(180° − 2θ), making the range equation yield the same result for complementary angle pairs.
Q3: How does launch angle affect the maximum height a projectile reaches?
Maximum height is proportional to the square of initial velocity and sin²θ. Since sin²θ varies with launch angle, projectiles launched at different angles reach different maximum heights even when initial speed is identical. A 60° launch angle produces greater maximum height than a 30° angle, though both cover the same range.
Q4: What happens to projectile motion when the range becomes very large?
When range is large compared to Earth's circumference, the Earth's curvature becomes significant. The surface drops away from the projectile, changing gravity's direction along the path. This allows the projectile to travel farther than predicted by standard range equations because it has greater distance to fall before reaching the ground.
Q5: At what horizontal velocity does an object enter orbit around Earth?
An object enters orbit when its horizontal velocity matches Earth's surface drop rate. Since Earth's surface drops approximately 5 meters every 8000 meters, and an object falls 5 meters in 1 second without air resistance, a horizontal velocity of 8000 m/s achieves orbit. This approximates the speed of space shuttles and satellites in low Earth orbit.
Q6: How does initial speed affect projectile range and maximum height?
Both range and maximum height depend on the square of initial speed. Doubling initial velocity quadruples both the range and maximum height achieved. This quadratic relationship means that small increases in launch speed produce substantial improvements in projectile performance, which is why athletes like javelin throwers use run-ups to increase initial velocity.
Q7: Why do sports athletes use the physics of projectile motion to improve performance?
Understanding projectile motion helps athletes optimize launch angles and initial speeds for maximum distance or height. Javelin throwers apply this knowledge by increasing initial speed through run-ups and aiming for angles near 45° to maximize range. This physics-based approach significantly improves athletic performance across multiple sports.