¿Cómo se calcula el ángulo de lanzamiento óptimo (para maximizar el rango de lanzamiento) en un lanzador de proyectiles dado?

Este valor se obtiene maximizando la distancia horizontal entre el punto de lanzamiento del proyectil y el punto de caída bajo suposiciones muy restrictivas:

  1. campo gravitacional vertical y uniforme [matemática] (g = constante) [/ matemática]
  2. movimiento en vacío (sin fricción o fuerzas laterales)
  3. sistema de referencia inercial (sin Coriolis u otros efectos de pseudoaceleración)
  4. (Actualización) la distancia horizontal máxima es mucho más pequeña que el radio de la Tierra:

[matemática] distancia (X0, Xdrop) << REarth [/ matemática] (ver más definiciones)

Las ecuaciones para la trayectoria se obtienen mediante la integración de tres ecuaciones diferenciales que se pueden reducir a dos ya que no se aplica fuerza lateral (trayectoria plana):

[matemática] ax = d ^ 2x / dt ^ 2 = 0 [/ matemática]

[matemáticas] ay = d ^ 2z / dt ^ 2 = – g [/ matemáticas]

con las condiciones iniciales:

en [matemáticas] t = 0 [/ matemáticas]

[matemáticas] dx / dt = Vx, x = 0 [/ matemáticas]

[matemática] dy / dt = Vy, y = 0 [/ matemática]

El ángulo de lanzamiento [matemática] alfa [/ matemática] definida como [matemática] arctan ([/ matemática] [matemática] Vy [/ matemática] [matemática] / [/ matemática] [matemática] Vx [/ matemática] [matemática]) [/ math] se considera como parámetro de movimiento junto con Vx o Vy

La combinación de los componentes x e y del movimiento proporciona una curva parabólica (la trayectoria) sin una dependencia explícita del tiempo:

[matemáticas] y (x) = f (x (t)) [/ matemáticas]

La intersección entre la trayectoria y el nivel del suelo (presentada como un plano horizontal que representa la superficie de la Tierra según el supuesto 4) se materializa mediante dos puntos de intersección que son las soluciones reales de la ecuación.

[matemáticas] f (x) = 0 => X0 [/ matemáticas] y [matemáticas] Xdrop [/ matemáticas]

Mantener el módulo de velocidad de lanzamiento

[math] sqrt (Vx ^ 2 + Vy ^ 2) = V [/ math] constante

y un ángulo alfa variable, conduce a varias distancias entre los dos puntos de intersección.

Por lo tanto, es necesario calcular la distancia D entre X0 y Xdrop en función de todos los demás parámetros de trayectoria y encontrar su extremo (en este caso, máximo):

con [matemáticas] D = distancia (X0, Xdrop) [/ matemáticas]

[matemáticas] dD / d (alfa) = 0 => [/ matemáticas] [matemáticas] alfa0 = argmax (D) [/ matemáticas]

El rango (desplazamiento vertical) depende de la cantidad de tiempo que el cuerpo pasa “volando” (que depende de la velocidad vertical inicial) y la velocidad horizontal inicial. Dado que el ángulo de lanzamiento es Arctan (velocidad vertical inicial / velocidad horizontal inicial), tenemos todo lo que necesitamos (estamos descuidando la resistencia del aire).

Si la velocidad vertical inicial es Vy:

[matemática] Y (final) = y (inicial) + Vy * t-0.5 * 9.8 * t ^ 2 [/ matemática]

Suponiendo [matemáticas] y (inicial) = y (final) = 0: [/ matemáticas]

[matemáticas] 0 = Vyt-4.9t ^ 2 [/ matemáticas]

[matemáticas] t = 0s [/ matemáticas] (que es inútil) y [matemáticas] t = Vy / 4.9 [/ matemáticas]

Entonces el tiempo de vuelo es [matemático] t = Vy / 4.9 [/ matemático]

Ahora, para el rango (suponemos que no hay aceleración horizontal): (Vx: velocidad horizontal inicial y V es la velocidad inicial total)

[matemáticas] Rango = Vx * t [/ matemáticas]

[matemáticas] Rango = Vx * (Vy / 4.9) [/ matemáticas]

Sabiendo que [matemáticas] Vx = Vcos (a) [/ matemáticas] y [matemáticas] Vy = Vsin (a) [/ matemáticas]:

[matemática] Rango = (V ^ 2) cos (a) sin (a) /4.9 [/ matemática]

Sabiendo que [matemáticas] cos (a) sin (a) = sin (2a) / 2 [/ matemáticas]:

[matemáticas] Rango = (V ^ 2) sin (2a) /2/4.9 [/ matemáticas]

(es algo fácil de desencadenar; no es realmente necesario, pero ayuda a simplificar el siguiente paso)

Para obtener el valor máximo de esta función, en la que V y 4.9 son constantes y a es la variable, diferenciamos con respecto a a y la establecemos igual a 0:

[matemática] d (Rango) / d (a) = (V ^ 2) cos (2) * 2/2 / 4.9 = 0 [/ matemática]

Por lo tanto [matemáticas] cos (2a) = 0 [/ matemáticas]

Por lo tanto [matemática] 2a = 90 ° [/ matemática]

Entonces [matemáticas] a = 45 ° [/ matemáticas]

Vola!

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