Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
МФП_нV.doc
Скачиваний:
59
Добавлен:
15.11.2018
Размер:
4 Мб
Скачать
☆

3. Физические математические модели

    1. 3.1 Использование математических моделей

С помощью функциональных математиче­ских моделей можно исследовать самые разнообразные физические, химические, социальные и др. состояния или объекты.

Рассмотрим свободное движение тела в поле тяготения Земли с учетом сил сопротивления.

По второму закону Ньютона ускорение тела равно

.

Ускорение свободного падения g постоянно и направлено вниз по вертикали, а силы вязкого трения направлены обратно направлению скорости и равны

,

где с – коэффициент лобового сопротивления; S – площадь мидельного сечения (наибольшее сечение тела в плоскости нормальной к скорости) тела;  – плотность среды; u – скорость движения тела. Коэффициент лобового сопротивления равен:

с = 1,11

– для диска

;

с = 1,33

– для полусферы

;

с = 0,55

– для полусферы

;

с = 0,4

– для шара

;

с = 0,045

– для капли

;

с = 0,1

– для капли

.

В качестве примера движения тела в поле тяготения Земли с учетом сил сопротивления рассмотрим движение футбольного мяча, движущегося в начальный момент времени со скоростью u под углом  к горизонту.

Уравнение движения мяча имеет вид

,

,

с начальными условиями

, , ,

и с конечными условиями , ,

где k – расчетный коэффициент, ; ; с – коэффициент лобового сопротивления, с = 0,4; S – площадь сечения шара по диаметру;  – плотность воздуха; u – скорость мяча.

В качестве исходных данных выберем диаметр мяча d = 0,3 м, масса мяча m = 0,7 кг, начальная скорость u = 20 м/с, угол к горизонту  = 57. Чтобы реализовать данную модель в MathCad можно решать систему дифференциальных уравнений первого порядка

, ,

,

с помощью команды rkfixed (метод Рунге-Кутта IV порядка с фиксированным шагом).

Исходные данные:

Решение системы дифференциальных уравнений движения мяча по горизонтали

Решение системы дифференциальных уравнений движения мяча по вертикали

Траектория движения мяча приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Траектория движения мяча брошенного