在军事演习中,跳伞员从静止的直升机上跳下,他们的运动由贴在身体上的传感器进行追踪。一名跳伞员从直升机上垂直跳下。在时间 t 秒时,跳伞员在直升机下方 x 米处,速度为 v ms^{-1}。他受到一个向下的大小为 9.8 ms^{-2} 的重力加速度,以及由于空气阻力产生的一个向上的大小为 R 的加速度,其中 R < 9.8。R 与 v 成正比,比例常数为 k > 0。
跳伞员的速度 v 的变化率被建模为向下的重力加速度与 R 之间的差。写出联系 v、t 和 k 的微分方程,并求解该微分方程以用 t 和 k 表示 v 的表达式。
落体的终端速度是指很长一段时间后其速度的值。用 k 表示跳伞员的终端速度。
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完整解法
2[0]
1. Write down the differential equation from the given model.
Given that is directly proportional to with constant , we have .
The rate of change of is the difference between gravitational acceleration and :
2. Separate the variables and integrate to find the general solution.
Since , we have , so . We can drop the absolute value:
3. Apply the initial condition to find the constant of integration.
Assuming the parachutist jumps from rest from a stationary helicopter, when .
4. Rearrange the equation to make $v$ the subject.
Substitute back into the equation:
Differential equation:
Expression:
2[1]
1. Determine the terminal velocity by considering the behaviour of $v$ as time $t$ approaches infinity.
Using the expression for derived in the previous part, .
As , since , the term .
Alternatively, terminal velocity occurs when the acceleration is zero (i.e. ), giving .
In both cases, the terminal velocity .
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