1.3.30∗. Снаряд вылетает из пушки со скоростью $v$ под углом $\alpha$ к горизонту. Какое время снаряд приближается к пушке?
Решение
Используя результат, полученный в 1.3.6, в некий момент времени $t$ можно записать следующие уравнения для скорости точки:
$$v_x = v \cos\alpha$$
$$v_y = v \sin\alpha - gt$$
Уравнение перемещения точки по осям будет иметь вид:
$$x = vt \cos\alpha$$
$$y = vt \sin\alpha - \frac{gt^2}{2}$$
В любой точке $M$ квадрат расстояния $r^2$ от начала координат до этой точки может быть найден по теореме Пифагора. Мы ищем квадрат, чтобы не заморачиваться извлечением квадратного корня, поскольку сама величина $r$ нам не нужна:
$$L_M = r_M^2 = x_M^2 + y_M^2$$
$$L_M = (vt \cos\alpha )^2 + \left(vt \sin\alpha - \frac{gt^2}{2}\right)^2$$
Чтобы определить область убывания функции $L(t)$, нужно найти значения $t$, при которых производная $L'(t)$ будет отрицательной. Упростим $L(t)$, раскрыв скобки и используя основное тригонометрическое тождество, а затем найдем производную:
Сначала определим точки, где левая часть обращается в ноль, а потом найдем необходимые интервалы. Получается квадратное уравнение относительно $t$; его решение тривиально и приводить я его не буду. Получаем два корня, которые можно записать одним выражением:
Векторный метод. Вычисляем по векторным формулам. Условие приближения к точке вылета
$$\vec V\cdot \vec r < 0,$$
где $\vec V, \vec r$ есть скорость и радиус-вектор тела в произвольный момент после начала (скалярное произведение).
С учетом $\vec V = \vec v + \vec gt$ и $\vec r = \vec vt + \dfrac{\vec gt^2}{2}$ заменяем в предыдущей $\vec V, \vec r$ и составляем неравенство относительно $t$.
Получаем, например, так
$$t\left(v^2 - \frac{3}{2}vg\sin\alpha\cdot t + \frac{g^2t^2}{2}\right) < 0.$$
Отсюда либо $t < 0$ и скобка положительна (что не подходит), либо $t > 0$ и скобка отрицательна.
Находим, когда скобка отрицательна, то есть
$$v^2 - \frac{3}{2}vg\sin\alpha\cdot t + \frac{g^2t^2}{2} < 0.\tag{1}$$
(оба корня положительны), на числовой прямой находим по смене знаков параболы при переходе корня на прямой, что время, когда $(1)$ отрицательно, лежит между корнями после упрощения
с ограничением $\sin\alpha \geqslant \sqrt{8/9}$. Из физических соображений отсутствие корней при $\sin\alpha < \sqrt{8/9}$ с отсутствием смены знака параболы для $(1)$ равносильно постоянному удалению тела от начала движения, то есть в этом случае $T = 0$.
Литература
[1] И. Яковлев. Векторы и механика. mathus.ru.
[2] И. Яковлев. Баллистика. Векторы. mathus.ru.
[3] Геометрические идеи при решении баллистических задач. А. А. Коновалов. Потенциал, 2013, № 1.
Ответ
$t=(V/g)\sqrt{9\sin^{2}\alpha -8}$ при $\sin\alpha >\sqrt{8/9};$