Si una pelota se lanza 14 metros hacia arriba, en la tierra, ¿qué altura alcanzaría si se lanzara en la luna con la misma velocidad inicial (la velocidad inicial es desconocida)?

Análisis dimensional al rescate. El número de Froude, V [matemáticas] ^ 2 [/ matemáticas] / (gL), será el mismo para dos eventos similares . Estoy usando algo similar en el sentido de similitud que en el análisis dimensional, que podría, más apropiadamente, llamarse análisis adimensional. De todos modos, coincida con el número de Froude:

[matemáticas] \ frac {V_ {tierra} ^ 2} {g_ {tierra} L_ {tierra}} = \ frac {V_ {luna} ^ 2} {g_ {luna} L_ {luna}} [/ matemáticas]

Ya dijiste que las V son iguales. Sabemos que [math] g_ {moon} [/ math] es aproximadamente 1/6 [math] g_ {earth} [/ math]. Eso significa que [math] L_ {moon} [/ math] debe ser 6x [math] L_ {earth} [/ math]. 6 x 14 m = 84 m.

El número de Froude es relevante cuando las fuerzas de interés son inerciales y gravitacionales. Es posible que haya oído hablar del número de Froude en el contexto de las olas en el agua. Bueno, esa es una situación en la que la inercia de las olas interactúa con el peso del agua (es decir, la fuerza gravitacional).

Y sí, esto es equivalente a lidiar con la energía cinética y la energía potencial.

Tenga en cuenta que el número de Froude a veces se define como la raíz cuadrada de la versión que proporcioné. Aquí el número de Froude – Wikipedia, por ejemplo, define el número de Froude de la siguiente manera:

Eso también es adimensional y le dará exactamente la misma respuesta. Pero ugh ¿Por qué meterse con la raíz cuadrada cuando no es necesario?

En mi opinión, la forma más rápida y fácil de hacer esto es usar un cálculo basado en energía.

Una bola de masa [matemática] m [/ matemática] lanzada con una velocidad dada [matemática] v [/ matemática] tiene una energía cinética de [matemática] \ frac {mv ^ 2} {2} [/ matemática]. Esta energía cinética será la misma en la luna y la Tierra. En el pico de la trayectoria de las bolas, la bola tendrá [matemáticas] v_ {pico} = 0 [/ matemáticas], lo que significa que tendrá una energía cinética de cero. Esto significa que toda su energía es energía potencial. La fórmula para la energía potencial gravitacional en gravedad constante es [matemática] mGh [/ matemática], donde [matemática] m [/ matemática] es la masa del objeto, [matemática] G [/ matemática] es la aceleración debida a la gravedad (y no la constante gravitacional universal, estoy usando mayúscula ‘[matemática] G [/ matemática]’ para evitar confundir con la aceleración debido a la gravedad en la Tierra, ‘[matemática] g [/ matemática]’) y [matemática] h [/ matemática] es la altura relativa a cualquier ‘cero’ que elija (utilizaremos la altura desde la cual se lanzó la pelota como ‘cero’). Entonces sabemos que [matemáticas] mG_ {Tierra} h_ {Tierra} = mG_ {luna} h_ {luna} [/ matemáticas]. [math] m [/ math] se cancela, dejándonos con [math] G [/ math] [math] _ {Earth} h_ {Earth} = G_ {moon} h_ {moon} [/ math]. Pero ya los conocemos todos menos [matemáticas] h_ {luna} [/ matemáticas], por lo que resolver esto debería ser bastante fácil.

[matemática] G_ {Tierra} [/ matemática] es solo [matemática] g [/ matemática], [matemática] G_ {luna} [/ matemática] es aproximadamente [matemática] \ frac {g} {6} [/ matemática] (esto es lo que usaremos), y [math] h_ {Earth} [/ math] se da como [math] 14 [/ math] metros.

Ahora solo conectamos esto y obtenemos [math] g * 14 meters = \ frac {g} {6} * h_ {moon} [/ math]

[math] g [/ math] se cancela y multiplicamos ambos lados por [math] 6 [/ math] para obtener [math] h_ {moon} = 84 metros [/ math].

Entonces la pelota alcanzaría una altura de [matemáticas] 84 [/ matemáticas] metros.

La versión corta es que la gravedad es 6 veces menor en la luna, por lo que para la misma energía potencial en el pico, el pico debe ser 6 veces mayor.

Use la fórmula [matemáticas] v ^ 2 = u ^ 2 – 2gh [/ matemáticas] donde v = 0; g = 9.8; h = 14. Por lo tanto, [matemáticas] u ^ 2 = 274.4 [/ matemáticas]

Use la misma fórmula en la luna con g = 1.6, es decir, [matemáticas] 274.4 = 2 \ veces 1.6 \ veces h. [/ Matemáticas] Luego resuelva h que viene a [matemáticas] h = \ frac {274.4} {3.2} = 84m [/ matemáticas].

Otra forma de hacerlo es dividir la gravedad de la tierra por la gravedad de la luna, lo que da 6. Luego multiplica por la altura obtenida en la tierra. Da la misma respuesta.

Bien, entonces tenemos 2 partes para este problema. 1. encontrar la velocidad inicial 2. encontrar la altura de la bola en la luna.

Sin embargo, antes de comenzar cualquier matemática, escriba (escriba) lo que sabemos:

él = 14m ae = 9.81m / s ^ 2 am = 1.62m / s ^ 2 v = 0m / s v0 =? hm =?

Ahora veamos qué ecuación se ajusta a nuestras necesidades. Para hacer eso, debemos separar nuestras variables entre la Tierra y la luna.

he, ae, v, y v0 – Tierra

hm, am, v, y v0 – Luna

Tenemos h, a, v, y v0 para ambos casos, así que usemos la siguiente ecuación cinemática:

v ^ 2 = v0 ^ + 2 * a * h

Reorganizar para encontrar lo que necesitamos:

Parte 1: v0 = Sqrt (v ^ 2–2 * ae * he)

Parte 2: hm = (v ^ 2-v0 ^ 2) / (2 * am)

Ahora solo sustituye y resuelve.

¡Bien, creo que puedo lanzar esa pelota! Un baloncesto pesa 0,6 kg

V ^ 2 – Vo ^ 2 = 2gh

g = -9.8 m / s2 en la tierra

gl = -1,7 m / s2 en la luna

Vo = sqrt (2. 9,8. 14) = 16,6 m / s …… (ahora conocido)

Ahora con aceleración lunar de gravedad gl = -1,7 m / s2

(16,56) ^ 2 = 2. 1,7. HL

HL = 8 0, 7 metros (<= respuesta)

aproximadamente 5,76 veces de tierra h

9,8 / 1,7 = 5,76

eso porque es la misma ecuación con solo gl y g tomando lugar

entonces:

gl. HL = g. h

Un poco más de seis veces más alto porque no hay resistencia del aire para frenarlo, solo la gravedad, que es seis veces más débil en la luna.