抛射体运动是以任意初速抛出的物体在地球重力作用下的运动。作这种运动的物体称为抛射体。抛射体的质心在运动中的轨迹称为弹道或弹道曲线。
理想抛射体的运动
抛射体的理想运动 指在下述四种假设下的运动:①抛射体在真空中运动;②抛射体的射程与地球的尺寸相比很小,故地球表面可视为平面,各处重力互相平行;③抛射的高度与地球半径相比很小,各处重力加速度g 可视为常数且等于在地面的值;④在地面上静止的物体具有与地球在该点的转动速度相同的速度,所以初速不太大时,抛射体的运动可不考虑地球的转动。在这些假设下,抛射体对静止于地面的直角坐标系的运动方程为:
设初速与水平成角,而初始条件为:
则积分后的运动方程为:
消去t后,得弹道方程:
这是一个抛物线方程(图1)。当y=h时,可从上式求出抛射体的射程:
可见射程不仅与初速度v0有关,且与θ0有关。当θ0=45°时,射程最大。
实际抛射体的运动
考虑空气阻力的抛射体运动,炮弹或导弹在空气中运动时,空气的阻力对弹道的影响 是缩短射程、减小落地速度和增大落地角,并使弹道具有竖直渐近线 (图2)。
在阻尼介质中运动的抛射体同时受到重力P和空气阻力R的作用(图3)。R与速度v反向,其大小则为0的 某一函数mf(v),其中m为抛射体的质量,是为了算式简明而写上的。抛射体沿曲线的切向和法向的运动微分方程为:
式中θ是速度矢量与水平轴x的夹角。
曲率半径ρ与弧长s和倾角θ有如下关系:
式中负号表明θ角随弧长s的增加而减小。于是式(1)可写作:
从以上两式消去dt,得到:
或改写为:
只有在函数f(v)取某些特殊形式时,式(3)才有一般的积分。
下面分述介质阻力对抛射体运动的影响。
介质阻力对射程的影响
将式(4)写为:
由于
推出
即速度的水平分量是减函数,故射程比理想运动时要短。
介质阻力对落地角的影响
利用式(2)的第二式,
沿弹道的上升段积分,y由0到h,θ由θ0到0,得到:
如以θ1代表落地角,将式(5)沿下降段积分,得到:
因为是减函数,上面第二个积分的值必定大于第一个,故
即抛射体的落地角θ1大于发射角θ0。
介质阻力对落地速度的影响
将式(2)的第一式乘以v并积分,得:
设落地时t=t1,落地速度为v1,此时y=0,上式变为:
此式表明v1
阻尼介质中弹道的渐近线
θ角从初始值逐渐减小,在弹道顶点处变为零,此后即取负值。由式(2) 中的第二式得出:
根据初始条件t=0时θ=,积分后可得:
从上式可以看出,当
时
故在阻尼介质中弹道具有竖直渐近线。
此外,当射程较大时,例如远程弹道导弹,由于地面是球形,球面曲率的影响是增大射程(图4)。图中椭圆是导弹在地球有心力场中的真空弹道。此时的射程等于,显然大于设地面为平面情况下的射程。
参考文献
词条作者:黄克累.《中国大百科全书》74卷(第一版)力学 词条:抛射体运动:中国大百科全书出版社, 1987 :377-378页.
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