گلوله ای در شرایط خلا از سطح زمین با تندی اول $30$ متر بر ثانیه در امتداد قائم به طرف بالا پرتاب میشود در چند متری سطح زمین انرژی جنبشی گلوله نصف انرژی پتانسیل آن می شود؟
برای حل این مسئله، ابتدا باید انرژی جنبشی اولیه و انرژی پتانسیل را در نظر بگیریم.
به طور کلی، اصل پایستگی انرژی مکانیکی را میتوان اینگونه نوشت:
\[
E_k + E_p = ثابت
\]
انرژی جنبشی (Ek) را میتوان به صورت زیر محاسبه کرد:
\[
E_k = \frac{1}{2}mv^2
\]
و انرژی پتانسیل ثقلی (Ep) به صورت زیر محاسبه میشود:
\[
E_p = mgh
\]
در این مسئله، انرژی جنبشی اولیه به صورت زیر است:
\[
E_{k0} = \frac{1}{2}m(30)^2
\]
نکته: جرم گلوله \( m \) در محاسبات انرژی به دلیل کسر شدن از طرفین حذف میشود و نیازی به دانستن آن نیست.
حال، میخواهیم بفهمیم که در چه ارتفاعی انرژی جنبشی نصف میشود. اگر انرژی جنبشی نصف شود، انرژی جنبشی جدید برابر خواهد بود با:
\[
E_{k} = \frac{1}{2} \times \frac{1}{2}m(30)^2 = \frac{1}{4}m(30)^2
\]
از طرفی، طبق پایستگی انرژی:
\[
\frac{1}{2}m(30)^2 = \frac{1}{4}m(30)^2 + mgh
\]
حالا با حذف جرم \( m \) از معادله و محاسبه ارتفاع \( h \):
\[
\frac{1}{2}(30)^2 - \frac{1}{4}(30)^2 = gh
\]
\[
\frac{1}{4}(30)^2 = gh
\]
جایگذاری g = 9.8:
\[
h = \frac{225}{9.8} \approx 22.96 \, \text{متر}
\]
بنابراین، در ارتفاع تقریباً \( 22.96 \) متری از سطح زمین، انرژی جنبشی گلوله نصف انرژی پتانسیل آن خواهد شد.