quote:
Op dinsdag 22 december 2009 23:57 schreef lyolyrc het volgende:[..]
Ik drukte me misschien een beetje ongelukkig uit. Wat ik bedoel is dat de kogel bij afschieten een beginsnelheid heeft die groter is dan nul, terwijl de kogel op zijn hoogste punt met een beginsnelheid gelijk aan nul aan zijn val begint.
Je drukte je uit op een manier die mij doet vermoeden dat je geen kaas hebt gegeten van (elementaire) natuurkunde. Je gedachte dat de snelheid van de kogel op het moment dat deze op zijn uitgangspunt terugkeert - afgezien van de tegengestelde richting - anders zou zijn dan op het moment dat deze wordt afgeschoten is onjuist.
quote:
De afleiding wil ik wel geven, maar op zijn vroegst morgenmiddag. Mijn afstudeerpraatje heeft nu even voorrang.
Ik ben erg benieuwd naar je 'afleiding' want die is gegarandeerd fout. Toch wil ik die afleiding graag zien, want ik ben wel geïnteresseerd in drogredeneringen, altijd leuk om door te prikken.
En om onnodige welles-nietes discussies te voorkomen zal ik meteen even laten zien dat je ongelijk hebt.
We nemen aan dat de kogel een puntmassa is die verticaal wordt afgeschoten met een zekere beginsnelheid v
0. Zoals aangegeven door de vragensteller nemen we ook aan dat er geen luchtwrijving is. Laten we de hoogte boven het punt van afschieten op tijdstip t aangeven met s
t (
spatium) en de snelheid op tijdstip t met v
t (
velocitas). Dan moeten we dus eerst het tijdstip t bepalen waarop de kogel weer terugkeert op zijn vertrekpunt en dan de daarbij behorende snelheid v
t bepalen.
Nu is de snelheid v
t op enig tijdstip t gelijk aan de afgeleide van de weg s naar de tijd t, oftewel:
(1) v
t = ds/dt
Voorts is de versnelling op enig tijdstip t, die we zullen aangeven met a
t (
acceleratio) gelijk aan de afgeleide van de snelheid v naar de tijd t, dus:
(2) a
t = dv/dt
Nu is echter de versnelling die de puntmassa ondervindt onder invloed van de zwaartekracht constant. Volgens de tweede wet van Newton geldt immers F = ma, waarbij F de zwaartekracht is en m de massa van de kogel, zodat a = F/m inderdaad constant is. Uiteraard geldt a = -g, waarbij g de gravitatieversnelling is (ca. 9,81 m/sec
2). Het minteken is nodig omdat de zwaartekracht naar beneden is gericht en de beweging van de kogel op het moment dat deze wordt afgeschoten omhoog, zodat er sprake is van een deceleratie. We hebben dus:
(3) a
t = -g
En dus volgens (2) ook:
(4) dv/dt = -g
Zodat we hebben:
(5) v
t = -gt + c,
waarin c een nader te bepalen constante is. De waarde van deze constante is eenvoudig te bepalen, want door t = 0 te substitueren in (5) vinden we
(6) v
0 = c,
en uit (5) en (6) volgt dan:
(7)
vt = -gt + v0Uit (1) en (7) volgt dan:
(8) ds/dt = -gt + v
0,
Zodat we vinden:
(9) s
t = -½gt
2 + v
0t + c,
waarin c weer een nader te bepalen constante is. Substitutie van t = 0 in (9) levert s
0 = c, en aangezien s
0 de hoogte boven het punt van afschieten voorstelt op het moment van afschieten is s
0 = 0, zodat dus c = 0. Zo vinden we dat geldt:
(10)
st = -½gt2 + v0tNu hebben we alles wat we nodig hebben om uit te rekenen op welk tijdstip de kogel weer op zijn uitgangspunt is teruggekeerd, én wat op dat moment zijn snelheid is. We bepalen eerst het tijdstip waarvoor geldt s
t = 0. Uit (10) volgt dat dit het geval is als geldt:
(11) -½gt
2 + v
0t = 0
Halen we hier t buiten haakjes, dan hebben we:
(12) t(-½gt + v
0) = 0
Aan (12) is voldaan indien t = 0 (het moment van afschieten) of indien:
(13) -½gt + v
0 = 0,
waaruit volgt:
(14)
t = 2v0/g,
en dat is dus het tijdstip waarop de met snelheid v
0 afgeschoten kogel terugkeert op het vertrekpunt. De snelheid van de kogel op dit moment vinden we nu door waarde van t uit (14) in te vullen in (7). Voor de snelheid v
t op het tijdstip t = 2v
0/g krijgen we dan:
(15) v
t = -g(2v
0/g) + v
0 = -2v
0 + v
0 =
-v0De snelheid op het moment dat de kogel terugkeert op het vertrekpunt is dus precies even groot als de snelheid op het moment dat de kogel werd afgeschoten, alleen is - zoals wordt uitgedrukt door het minteken - de bewegingsrichting tegengesteld aan de bewegingsrichting op het moment van afschieten.
Verder kunnen we ook nog even kijken naar het tijdstip waarop de kogel zijn hoogste punt bereikt. Op dat moment is de snelheid van de kogel gelijk aan nul, dus v
t = 0. Uit (7) volgt dat dit het geval is als -gt + v
0 = 0 en dus:
(16)
t = v0/gVergelijken we het tijdstip t in (16) waarop de kogel het hoogste punt bereikt met het tijdstip t in (14) waarop de kogel op zijn vertrekpunt terugkeert, dan zien we dat de kogel precies op de
helft van de tijd die hij nodig heeft om weer op zijn vertrekpunt terug te keren het hoogste punt bereikt.
De weg terug naar beneden vanaf het hoogste punt duurt dus precies even lang als de weg vanaf het vertrekpunt naar het hoogste punt.
QED.
[ Bericht 3% gewijzigd door Riparius op 23-12-2009 04:16:07 ]