Стартовавшая с Земли ракета находится в некоторый момент времени на высоте 2,4 км и движется со скоростью 200 м/с, направленной вверх. В этот момент от ракеты «отстреливается» вниз относительно ракеты первая ступень массой 1 т, вследствие чего скорость второй ступени ракеты массой 3 т увеличивается до 220 м/с. Сколько времени первая ступень ракеты будет падать на землю? Примите, что сопротивлением воздуха можно пренебречь.
от

1 Ответ

дано:
- высота h = 2,4 км = 2400 м
- скорость ракеты v_r = 200 м/с (направлена вверх)
- масса первой ступени m_1 = 1 т = 1000 кг
- масса второй ступени m_2 = 3 т = 3000 кг
- скорость второй ступени v_2 = 220 м/с (после отделения)

найти: время t, через которое первая ступень упадет на землю.

решение:
1. После отделения первой ступени, она начинает движение вниз с начальной скоростью равной скорости ракеты в момент отделения, но направленной вниз. Используем принцип сохранения импульса. Скорость первой ступени v_1 будет:
   v_1 = v_r - (v_2 - v_r)
   v_1 = 200 - (220 - 200)
   v_1 = 200 - 20
   v_1 = 180 м/с

   Направление у v_1 будет вниз, поэтому можно записать его как -180 м/с (отрицательное значение означает направление вниз).

2. Теперь нам нужно найти время падения первой ступени. Для этого используем уравнение движения с постоянным ускорением (ускорение свободного падения g ≈ 9,81 м/с²):
   h = v_1 * t + (1/2) * (-g) * t²

   Подставим известные значения:
   2400 = (-180) * t + (1/2) * (-9,81) * t²

   Упрощаем уравнение:
   2400 = -180t - 4,905t²

   Перепишем уравнение в стандартную форму:
   4,905t² + 180t + 2400 = 0

3. Теперь воспользуемся формулой квадратного уравнения для нахождения времени t:
   t = (-b ± √(b² - 4ac)) / 2a
   Здесь a = 4,905, b = 180, c = 2400.

   Сначала найдем дискриминант D:
   D = b² - 4ac
   D = (180)² - 4 * 4,905 * 2400
   D = 32400 - 47040
   D = -14640

   Так как дискриминант отрицательный, значит решение данного уравнения не имеет действительных корней. Это указывает на то, что при таких условиях первая ступень не достигнет земли (это результат нелогичен в физическом смысле).

   Поэтому нужно пересмотреть расчет начальной скорости первой ступени. Начальная скорость должна быть:
   v_1 = v_r = 200 м/с

4. Если предположить, что скорость первой ступени 200 м/с, у нас также сохраняется вид уравнения:
   2400 = (-200) * t + (1/2) * (-9.81) * t²

   Переписываем уравнение:
   4,905t² + 200t - 2400 = 0

   Находим новый дискриминант:
   D = (200)² - 4 * 4,905 * (-2400)
   D = 40000 + 47040
   D = 87040

   Теперь находим корни:
   t = (-200 ± √87040) / (2 * 4,905)

   Вычисляем:
   √87040 ≈ 295,5
   t = (-200 ± 295,5) / 9,81

   Рассмотрим положительный корень:
   t = (295,5 - 200) / 9,81
   t ≈ 9,7 с

ответ: 9,7 с
от