Разрезание ножом яблока в процессе полета

Аннотация проекта

Проект направлен на изучение взаимодействия ножа и яблока в гравитационном поле Земли.

Постановка задачи

- Математически рассчитать благоприятные для разрезания яблока случаи

Общие сведения по теме

Рассматриваются различные случаи взаимодействия ножа и яблока в полете. К ножу прикладывается сила F, начальная скорость Vo, дана масса ножа m и масса яблока М, диаметр яблока D. Сила сопротивления со стороны яблока в точке соприкосновения лезвия ножа с яблоком P.

Уравнение движения ножа : [math]mx" = F - P + Mg[/math] (*). Ось x направлена к земле. Уравнение движения яблока : [math]y = gt^2[/math]

Обозначим [math]F - P + Mg[/math] за k для уменьшения объема вычислений.<p>

1 Случай. [math]k \lt 0[/math] -> [math]P \gt F + Mg[/math]. Это случай отскока ножа от яблока.

2 Случай. [math]k = 0 -\gt P = F + Mg[/math] - равномерное разрезание яблока. [math]mx' = mVo -\gt x' = Vo = const[/math]

Теперь мы можем проинтегрировать по t, подставив взамен константы mxo ( решив задачу Коши с начальными [math]x'|t=0 = Vo[/math] ).

[math]mx = mVot + mxo[/math] -> [math] x = Vot - xo[/math] .

Рассчитав время падения яблока [math]tпад = Sqrt((2/g)* (xo - D ))[/math] мы можем смело заявить, при каких начальных скоростях возможен полный разрез яблока до его падения, а при каких - яблоко будет разрезано лишь на какую-то часть.

[math]f(Vo,D,xo) = Vo - gD^2/2(xo-D)[/math] (**)

Если [math]Vo - gD^2/2(xo-D) \gt 0[/math] - наблюдаем полный разрез яблока до падения.

[math]Vo - gD^2/2(xo-D) \lt 0[/math] - наблюдаем неполный разрез.

3 Случай. [math]k \gt 0 -\gt P \lt F + Mg[/math] - разрез будет проводиться с ускорением.

Дважды проинтегрируем уравнение (*) по времени t : [math]mx = kt^2/2 + mVot - mxo[/math]

Осталось сравнить время разрезания яблока и время его падения : [math]m(-Vo + sqrt(Disc))/2k[/math] и [math]sqrt((2/g)*(xo - D))[/math] , где [math]Disc = Vo^2 + 2D*k/m[/math]

Окончательное уравнение, зависящее от [math]Vo,D,F,P,M,m,xo[/math] :

[math]F(Vo,D,F,P,M,m,xo) = 2D*k/m-8(xo-D)*k^2/(m^2*g) + 4Vo*k*Sqrt(2*(xo-D)/g)/ m[/math] (***)

Результат

В результате проведенных исследований, мы можем, подставляя конкретные числа в уравнение (**) и (***), просчитать