На якій висоті потенціальна енергія кульки зменшиться вдвічі порівняно з кінетичною, якщо вона без початкової швидкості

  • 66
На якій висоті потенціальна енергія кульки зменшиться вдвічі порівняно з кінетичною, якщо вона без початкової швидкості почала вільно падати з висоти 30 м?
Ягненок_4876
11
Для розв"язання задачі визначимо початкові значення потенціальної та кінетичної енергій кульки.

Потенціальна енергія, \(E_{\text{п}}\), залежить від висоти, \(h\), і маси кульки, \(m\), і визначається формулою:

\[E_{\text{п}} = mgh,\]

де \(g\) - прискорення вільного падіння, \(g \approx 9.8 \, \text{м/с}^2\).

Запишемо вираз для значення потенціальної енергії кульки без початкової швидкості:

\[E_{\text{п1}} = mgh.\]

Кінетична енергія, \(E_{\text{к}}\), залежить від маси кульки, \(m\), та її швидкості, \(v\), і визначається формулою:

\[E_{\text{к}} = \frac{1}{2} mv^2.\]

Оскільки кулька почала вільно падати без початкової швидкості, вона набуває швидкість падіння на відповідній висоті.

Щоб знайти висоту, на якій потенціальна енергія зменшиться вдвічі порівняно з кінетичною, розпишемо вираз для кінетичної енергії при цьому значенні:

\[E_{\text{к}} = \frac{1}{2} mv^2,\]

\[E_{\text{п1}} = 2E_{\text{к}} = 2 \cdot \frac{1}{2} mv^2,\]

\[mgh = mv^2.\]

З цього рівняння знайдемо вираз для швидкості:

\[v^2 = gh,\]

\[v = \sqrt{gh}.\]

Тепер, коли відома швидкість, можемо визначити висоту:

\[E_{\text{п2}} = mgh" = \frac{1}{2} m \cdot (\sqrt{gh})^2,\]

\[E_{\text{п2}} = mgh" = \frac{1}{2} mgh,\]

\[h" = \frac{1}{2} h.\]

Отже, висота, на якій потенціальна енергія кульки зменшиться вдвічі порівняно з кінетичною, становить половину висоти, з якої починається її падіння без початкової швидкості.