Superpallo

Insinööriosastojen valintakoetehtävä vuodelta 1994

Superpallo, joka pudotetaan lattialle, pomppii koskettaen lattiaa ajanhetkinä ti(i = 1, 2, . . . ). Jos hetkellä ti(i = 1, 2, . . . ) pallon törmäysnopeus lattiaan on v-
i ja kimmahdusnopeus lattiasta v+
i, voidaan olettaa (kun ilmanvastus jätetään ottamatta huomioon), että v+i = v-i+1 ja että ti+1 - ti = kv+
i, missä k on vakio. Laske, kuinka kauan pallo pomppii ajanhetken t1 jälkeen, kun jokaisessa lattiaan törmäyksessä pallo menettää 5 % liike-energiastaan ja kun ensimmäinen pomppu kestää ajan t2 - t1 = 0.6 s. Ilmoita vastaus sekunteina yhden desimaalin tarkkuudella. (Liike-energian kaava on E = 1
2mv2.)


Ratkaisu

Pallolla on liike-energiaa (törmäyksen jälkeen)

1. pompussa1
2m(v+
1)2,
2. pompussa1
2m(v+
2)2 = 0.95 . 1
2m(v-
2)2 = 0.95 . 1
2m(v+
1)2,
...
n. pompussa1
2m(v+
n)2 = (0.95)n-1 . 1
2m(v+
1)2,

joten yleisesti

v+
n = v+
1( V~ ----
  0.95)n-1, n = 1, 2, . . .

Koska 1. pomppuun kuluu aika t2 - t1 = kv+
1 = 0.6, saadaan n. pomppuun kuluvaksi ajaksi

tn+1 - tn = kv+
n = kv+
1( V~ ----
  0.95)n-1 = 0.6( V~ ----
  0.95)n-1.

Tällöin kokonaisaika (päättymättömän suppenevan geometrisen sarjan summana) on

0.6 + 0.6 V~ ----
  0.95 + 0.6( V~ ----
  0.95)2 + . . . = ----0.6---
1 -  V~  0.95  ~~ 23.7s.

Piilota ratkaisu