एक नि: शुल्क गिरने शारीरिक समस्या का विश्लेषण कैसे करें

समस्याओं का सबसे आम प्रकार है कि एक शुरुआत भौतिकी छात्र मुठभेड़ करेंगे एक मुक्त गिरने वाले शरीर की गति का विश्लेषण करना है। इस तरह की समस्याओं के संपर्क में आने के विभिन्न तरीकों को देखना मददगार है।

निम्नलिखित समस्या को हमारे लंबे समय से चले आ रहे भौतिकी मंच पर एक व्यक्ति द्वारा कुछ हद तक परेशान छद्म नाम "c4ool" के साथ प्रस्तुत किया गया था:

जमीन के ऊपर आराम से रखे जा रहे 10 किलो के ब्लॉक को छोड़ दिया जाता है। गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव के तहत ब्लॉक गिरना शुरू हो जाता है। तुरंत कि ब्लॉक जमीन से 2.0 मीटर ऊपर है, ब्लॉक की गति 2.5 मीटर प्रति सेकंड है। ब्लॉक को किस ऊँचाई पर छोड़ा गया?

अपने चरों को परिभाषित करके शुरू करें:

• y₀ - प्रारंभिक ऊंचाई, अज्ञात (हम किसके लिए हल करने की कोशिश कर रहे हैं)
• v₀ = 0 (प्रारंभिक वेग 0 है क्योंकि हम जानते हैं कि यह आराम से शुरू होता है)
• y = 2.0 मी। / से
• v = 2.5 m / s (जमीन से 2.0 मीटर ऊपर वेग)
• म = 10 किग्रा
• जी = 9.8 मी। / से² (गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण)

चरों को देखते हुए, हम कुछ चीजों को देखते हैं जो हम कर सकते थे। हम ऊर्जा के संरक्षण का उपयोग कर सकते हैं या हम आवेदन कर सकते हैं एक आयामी कीनेमेटीक्स.

यह गति ऊर्जा के संरक्षण को प्रदर्शित करती है, इसलिए आप इस तरह की समस्या का सामना कर सकते हैं। ऐसा करने के लिए, हमें तीन अन्य चरों से परिचित होना होगा:

• यू = MGY (गुरुत्वाकर्षण स्थितिज ऊर्जा)
• क = 0.5mv² (गतिज ऊर्जा)
• इ = क + यू (कुल शास्त्रीय ऊर्जा)

तब हम इस जानकारी को कुल ऊर्जा प्राप्त करने के लिए लागू कर सकते हैं जब ब्लॉक जारी किया जाता है और कुल ऊर्जा 2.0-मीटर से ऊपर जमीन के बिंदु पर होती है। के बाद से प्रारंभिक वेग 0 है, वहाँ कोई गतिज ऊर्जा नहीं है, जैसा कि समीकरण दिखाता है

इ₀ = क₀ + यू₀ = 0 + MGY₀ = MGY₀
इ = क + यू = 0.5mv² + MGY
उन्हें एक दूसरे के बराबर सेट करके, हम प्राप्त करते हैं:
MGY₀ = 0.5mv² + MGY
और y को अलग करके₀ (अर्थात सब कुछ विभाजित करके मिलीग्राम) हमें मिला:
y₀ = 0.5v² / जी + y

ध्यान दें कि हमें जो समीकरण मिलता है y₀ बड़े पैमाने पर शामिल नहीं करता है। इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि लकड़ी के ब्लॉक का वजन 10 किलोग्राम या 1,000,000 किलोग्राम है, तो हमें इस समस्या का एक ही जवाब मिलेगा।

अब हम अंतिम समीकरण लेते हैं और समाधान प्राप्त करने के लिए चर में हमारे मानों को प्लग करते हैं:

y₀ = 0.5 * (2.5 मीटर / सेकंड)² / (9.8 मी। / से²) + 2.0 मीटर = 2.3 मीटर

यह एक अनुमानित समाधान है क्योंकि हम इस समस्या में केवल दो महत्वपूर्ण आंकड़ों का उपयोग कर रहे हैं।

एक-आयामी स्थिति के लिए हमारे द्वारा ज्ञात चर और कीनेमेटीक्स समीकरण को देखते हुए, एक बात ध्यान देने वाली है कि हमें ड्रॉप में शामिल समय का कोई ज्ञान नहीं है। इसलिए हमारे पास समय के बिना एक समीकरण होना चाहिए। सौभाग्य से, हमारे पास एक है (हालांकि मैं इसकी जगह लूंगा एक्स साथ में y चूंकि हम ऊर्ध्वाधर गति और के साथ काम कर रहे हैं ए साथ में जी चूंकि हमारा त्वरण गुरुत्वाकर्षण है):

v² = v₀²+ 2 जी( एक्स - एक्स₀)

सबसे पहले, हम जानते हैं कि v₀ = 0. दूसरा, हमें अपनी समन्वय प्रणाली (ऊर्जा उदाहरण के विपरीत) को ध्यान में रखना होगा। इस मामले में, अप सकारात्मक है, इसलिए जी नकारात्मक दिशा में है।

v² = 2जी(y - y₀)
v² / 2जी = y - y₀
y₀ = -0.5 v² / जी + y

ध्यान दें कि यह है बिल्कुल सही वही समीकरण जो हमने ऊर्जा पद्धति के संरक्षण में समाप्त किया। यह अलग दिखता है क्योंकि एक शब्द नकारात्मक है, लेकिन चूंकि जी अब नकारात्मक है, जो नकारात्मक हैं वे उसी उत्तर को रद्द और उपज देंगे: 2.3 मीटर।

यह आपको समाधान नहीं देगा, लेकिन यह आपको एक अनुमान लगाने की अनुमति देगा कि क्या अपेक्षा की जाए। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह आपको मूल प्रश्न का उत्तर देने की अनुमति देता है जो आपको भौतिकी समस्या के साथ होने पर स्वयं से पूछना चाहिए:

क्या मेरा समाधान समझ में आता है?

गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण 9.8 m / s है². इसका मतलब यह है कि 1 सेकंड के लिए गिरने के बाद, एक वस्तु 9.8 मीटर / सेकंड पर चलती होगी।

उपर्युक्त समस्या में, वस्तु केवल 2.5 मीटर / सेकंड पर चलती है, बाकी से हटाए जाने के बाद। इसलिए, जब यह 2.0 मीटर की ऊंचाई तक पहुंचता है, तो हम जानते हैं कि यह बिल्कुल नहीं गिरा है।

ड्रॉप ऊंचाई, 2.3 मीटर के लिए हमारा समाधान, ठीक यही दिखाता है; यह केवल 0.3 मीटर गिर गया था। गणना किए गए समाधान कर देता है इस मामले में समझदारी।