Решение на момент правки #22213 от , автор igor. Это не текущая версия.

Условие

1.3.30∗. Снаряд вылетает из пушки со скоростью под углом к горизонту. Какое время снаряд приближается к пушке?

Решение

Используя результат, полученный в 1.3.6, в некий момент времени можно записать следующие уравнения для скорости точки:

Уравнение перемещения точки по осям будет иметь вид:

В любой точке квадрат расстояния от начала координат до этой точки может быть найден по теореме Пифагора. Мы ищем квадрат, чтобы не заморачиваться извлечением квадратного корня, поскольку сама величина нам не нужна:

Чтобы определить область убывания функции , нужно найти значения , при которых производная будет отрицательной. Упростим , раскрыв скобки и используя основное тригонометрическое тождество, а затем найдем производную:

Осталось решить неравенство:

Сначала определим точки, где левая часть обращается в ноль, а потом найдем необходимые интервалы. Получается квадратное уравнение относительно ; его решение тривиально и приводить я его не буду. Получаем два корня, которые можно записать одним выражением:

Если интересует длительность промежутка времени, в который приближение происходит, она равна:

Если минимум равен , получаем решение:

Альтернативное решение

Векторный метод. Вычисляем по векторным формулам. Условие приближения к точке вылета

где есть скорость и радиус-вектор тела в произвольный момент после начала (скалярное произведение).

С учетом и заменяем в предыдущей и составляем неравенство относительно .

Получаем, например, так

Отсюда либо и скобка положительна (что не подходит), либо и скобка отрицательна.

Находим, когда скобка отрицательна, то есть

Найдя корни соответствующего квадратного уравнения

и

(оба корня положительны), на числовой прямой находим по смене знаков параболы при переходе корня на прямой, что время, когда отрицательно, лежит между корнями после упрощения

с ограничением . Из физических соображений отсутствие корней при с отсутствием смены знака параболы для равносильно постоянному удалению тела от начала движения, то есть в этом случае .

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

при

при