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先看视频。 有人认为这是恶作剧,但也可能是车主想做个物理实验,但不会计算,结果悲剧了。
问: 石头会不会砸到车?
有兴趣的自己先解答下。我后面的答案只做参考。
根据题中的已知 $\theta = \sin^{-1} (h/L)$ 。
解答这个题显然以匀速运动的汽车为参照最为方便,否则还得考虑车也在动。这个参照的选择不改变动力学,不是源自牛顿,而是更早的伽利略。学科学知道些历史有好处。
显然,以车为参照,石头飞起速度
$v_{\perp} = v \sin\theta, v_{\parallel} = v \cos\theta$
水平分量
$v_x = v_{\perp}\sin\theta - v_{\parallel} \cos\theta = v (\sin^2\theta-\cos^2\theta) = - v \cos(2\theta)$
垂直分量
$v_y = v_{\perp}\cos\theta + v_{\parallel} \sin\theta = 2 v \sin\theta \cos^2\theta = v \sin(2\theta)$
可见,石头是以速度 v (相对车来说), 是以二倍的角度飞过去。得到这个结果,我开始感到有趣。从视频看,石头确实是以大于绳子角度的角度“追击”汽车。再想想,其实这相当于弹性反射嘛 -- 反射角等于入射角。绳子是入射 法线。如果一开始就想到这个,都不需要算了。
剩下的事情简单了,我们只需要计算石头相对于车的飞行距离。
$D = v_x T = v_x \frac{2v_y}{g} = v\sin(2\theta) 2 v \cos(2\theta)/g = \frac{v^2\sin(4\theta)}{g} =\frac{v^2}{g} \sin(4 \sin^{-1} (h/L))$
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GMT+8, 2024-11-20 06:20
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