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力与运动的关系,牛顿运动定律与网球比赛 [复制链接]

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牛顿第二运动定律F=ma,揭示了力与运动的某种关系,即合外力等于质量与加速度的乘积,本文网球比赛发球为研究过程,假设网球受重力,并粗略考虑空气阻力,以及加旋产生的压力差,并以此为基础尝试建立物理模型.

设网球发球起始点高度为h0,初速度为v0,方向斜向右上方与水平面所夹锐角为α,球的空气阻力大小始终是球速v平方的k倍,球上旋(顺时针方向),旋转所带来的的压差效应力始终与球速v方向垂直(顺时针方向90°),且为定值i.以这样的模型来分析网球从发球到触网或落地之前的运动情况.

设网球的质量为m,重力加速度为g,水平方向位移随时间的变化函数为x,网球的竖直方向位移随时间的变化函数为y,网球瞬时速度随时间的变化函数为v,v和水平向右方向的成角随时间的变化函数为θ,则x′表示水平方向分速度,y′表示竖直方向分速度,x′′表示水平方向加速度的分量,y′′表示竖直方向加速度的分量,根据力与运动的关系,运用牛顿第二运动定律,可以列出如下初始方程:

化简求解:

核心方程:

核心方程,再加上初始条件h0,v0,α,应该就能求解了。不过这是①②是含二阶导数的函数方程,可以尝试化简一下.

这样仅需这个方程组以及代换条件,初始条件(t=0时,x=0,y=h0,v=v0,θ=α)就能描述这个模型了.

然后进一步的求解可以使用诸如MATLAB之类的软件,或者编写程序求近似解.

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