זריקות
כדור מתגלגל מעבר לקצה שולחן, אבן נזרקת בזווית מעל האופק, חבילה נופלת ממטוס: את התנועות האלה מאחד רעיון אחד — גוף מעופף במישור אנכי, ואין פועל עליו אלא כוח הכובד. בפרק הזה נלמד כיצד מתפרקת התנועה העקומה הזאת לשני רכיבים פשוטים ובלתי תלויים המוכרים לנו היטב מן הפרק הראשון, נפתח את משוואות הזריקה האופקית והזריקה המשופעת, ונחתום בהכללה היפה לכל כוח קבוע. הפרק קצר, אבל שאלותיו מן הנפוצות ביותר בבחינת הבגרות.
- נסביר מדוע מתפרקת תנועת הגוף הנזרק לרכיב אופקי קצוב ולרכיב אנכי בתאוצה קבועה, שזמנם משותף.
- נפתור בעיות של זריקה אופקית: זמן ההגעה לקרקע, הטווח, והמהירות בכל רגע.
- נפתור בעיות של זריקה משופעת, נפתח את נוסחאות זמן המעוף, הגובה המרבי והטווח, ונדע את גבולות תוקפן.
- נסרטט תרשים כוחות נכון לגוף נזרק: כוח אחד בלבד — כוח הכובד.
- נכליל: כל גוף הנתון בהשפעת כוח קבוע נע בתאוצה קבועה, ומסלולו פרבולה.
עד עכשיו הגופים שלנו נעו לאורך קו ישר. עכשיו נזרוק גוף באוויר: הוא נע במישור אנכי, והכוח היחיד הפועל עליו (אם מזניחים את התנגדות האוויר) הוא כוח הכובד m·g, שגודלו וכיוונו קבועים. המפתח לפתרון התנועה הזאת הוא אי-התלות: נפרק את התנועה לשני רכיבים מאונכים, ונטפל בכל רכיב בנפרד בעזרת מה שלמדנו על תנועה לאורך קו ישר. הזמן הוא הגודל היחיד המשותף לשניהם.
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| ax | אין כוח אופקי ← הרכיב האופקי של המהירות קבוע: תנועה קצובה | [m/s²] |
| ay | כוח הכובד כלפי מטה ← תנועה בתאוצה קבועה (הכיוון החיובי כלפי מעלה) | [m/s²] |
זריקה אופקית (Horizontal Projectile Motion)
נציב את ראשית הצירים על הקרקע מתחת לנקודת הזריקה, הציר x אופקי בכיוון הזריקה ו-y כלפי מעלה. ברגע t = 0: x = 0, y = h, vx = v0, vy = 0.
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| v0 | המהירות ההתחלתית (אופקית) | [m/s] |
| h | גובה נקודת הזריקה | [m] |
| vy | הרכיב האנכי של המהירות, שלילי כי הוא מכוון כלפי מטה | [m/s] |
את זמן ההגעה לקרקע מוצאים מן המשוואה האנכית כשמציבים y = 0, והוא אינו תלוי ב-v0: גוף הנזרק אופקית וגוף המשוחרר ממנוחה מאותו גובה מגיעים לקרקע באותו רגע. הטווח האופקי הוא x ברגע זה, וגודל המהירות בכל רגע הוא v = vx2 + vy2.
א. את זמן ההגעה לקרקע.
ב. את הטווח האופקי.
ג. את מקום הגוף ואת מהירותו אחרי שנייה אחת.
ד. את גודל מהירות הגוף כשהוא מגיע לקרקע ואת הזווית שהיא יוצרת עם האופק.
א. התנועה האנכית: נפילה חופשית ממנוחה:
ב. התנועה האופקית קצובה לאורך כל זמן המעוף:
ג. אחרי שנייה אחת:
ד. בהגעה לקרקע (t = 2 s):
הזווית נמדדת מתחת לאופק: הגוף מגיע לקרקע במהירות של 25 m/s, הנוטה בזווית 53° מתחת לאופק.
ברגע ההפלה מהירות החבילה שווה למהירות המטוס, אופקית, 100 m/s; זו זריקה אופקית:
המטוס נע באותה מהירות אופקית, ולכן ברגע זה הוא נמצא בדיוק מעל החבילה, בגובה 500 m. מנקודת המבט של הטייס החבילה נופלת אנכית מתחתיו — כי הרכיב האופקי של המהירות משותף.
זריקה משופעת (Oblique Projectile Motion)
נפרק את המהירות ההתחלתית לשני רכיבים: v0x = v0·cos θ, אופקי, שנשאר קבוע, ו-v0y = v0·sin θ, אנכי, שקטן ב-g בכל שנייה. ראשית הצירים בנקודת הזריקה, ו-y כלפי מעלה:
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| v0 | גודל המהירות ההתחלתית | [m/s] |
| θ | זווית הזריקה מעל האופק | [°] |
מן המשוואות האלה נגזור את הגדלים האופייניים לזריקה מן הקרקע אל הקרקע:
- זמן העלייה: בנקודה הגבוהה ביותר vy = 0, ומכאן tup = v0·sin θg. מטעמי סימטריה, זמן המעוף הכולל כפול ממנו.
- הגובה המרבי: נציב את tup במשוואת y (או נשתמש ב-vy2 = v0y2 − 2·g·h עם vy = 0).
- הטווח: x ברגע הנחיתה, כלומר v0·cos θ כפול זמן המעוף.
- מהירות הנחיתה: מטעמי סימטריה גודלה שווה למהירות הזריקה, והיא בזווית θ מתחת לאופק.
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| tf | זמן המעוף הכולל | [s] |
| hmax | הגובה המרבי מעל נקודת הזריקה | [m] |
| R | הטווח האופקי | [m] |
א. את שני רכיבי המהירות ההתחלתית.
ב. את זמן העלייה ואת הגובה המרבי.
ג. את זמן המעוף ואת הטווח.
ד. את מקום הכדור ואת מהירותו אחרי שנייה אחת.
ה. את מהירות הכדור כשהוא מגיע לקרקע.
א.
ב. בנקודה הגבוהה ביותר vy = 0:
ג. זמן המעוף כפול מזמן העלייה, ואת הטווח נמצא מן התנועה האופקית הקצובה:
נבדוק בנוסחת הטווח: R = v02·sin 2θg = 625 · sin 74°10 = 60.1 m.
ד. אחרי שנייה אחת:
הכדור עדיין עולה (vy > 0), אבל לאט יותר מאשר ברגע הזריקה.
ה. בנחיתה (t = 3 s): vy = 15 − 10 · 3 = −15 m/s — הרכיב האנכי חוזר באותו גודל ובסימן הפוך, וגודל המהירות 25 m/s בזווית 37° מתחת לאופק: סימטריה מלאה עם הזריקה.
נציב את ראשית הצירים בנקודת הזריקה, ולכן הקרקע נמצאת ב-y = −60 m. הרכיבים:
הגובה המרבי מעל נקודת הזריקה, ואחר כך מעל הקרקע:
את זמן המעוף נמצא ממשוואת y(t) עם y = −60:
השורש השלילי נפסל (הוא לפני הזריקה). הטווח ומהירות הפגיעה:
שימו לב שזמן המעוף כאן אינו 2·tup, כי האבן נחתה במפלס נמוך מנקודת הזריקה.
התנועה האופקית קצובה במהירות v0x = 20 m/s, וממנה זמן ההגעה לקיר:
הגובה ברגע זה, מן התנועה האנכית (v0y = 15 m/s):
הרכיב האנכי שלילי, ולכן הכדור ירד ברגע הפגיעה: הוא עבר בנקודה הגבוהה ביותר (tup = 1.5 s) לפני שהגיע לקיר.
הכללה: תנועה בהשפעת כוח קבוע (Motion under a Constant Force)
אין בזריקה דבר ייחודי לכוח הכובד. כל גוף שפועל עליו כוח קבוע (בגודל ובכיוון) נע בתאוצה קבועה a = Fm, והתנועה מתפרקת תמיד לשני רכיבים בלתי תלויים: בכיוון הכוח — תנועה בתאוצה קבועה, ובניצב לו — תנועה קצובה. אם המהירות ההתחלתית אינה מקבילה לכוח, המסלול הוא פרבולה. יש לכך דוגמאות רבות: חלקיק טעון בשדה חשמלי אחיד (נפגוש אותו בחשמל), או גוף המחליק על מישור משופע חלק אחרי שנזרק לאורך המשטח.
הכוח השקול על הדסקית לאורך המשטח הוא m·g·sin θ כלפי מטה, והוא קבוע. נבחר את x לאורך הבסיס ואת y במורד המישור:
אחרי שתי שניות:
החישוב זהה לחלוטין לחישוב של זריקה אופקית, כשמחליפים את g ב-g·sin θ.
עיקרי הדברים:
- אחרי שהגוף עוזב את היד לא נשאר עליו שום "כוח זריקה": הכוח היחיד במשך המעוף כולו הוא כוח הכובד m·g כלפי מטה — בעלייה, בשיא ובירידה.
- המפתח לפתרון הזריקה הוא אי-התלות: רכיב אופקי קצוב ורכיב אנכי בתאוצה קבועה, והזמן הוא הגודל המשותף היחיד ביניהם.
- נוסחאות זמן המעוף, הגובה המרבי והטווח תקפות רק כשהגוף נוחת בגובה נקודת הזריקה; בכל מקרה אחר חוזרים אל המשוואות הבסיסיות x(t) ו-y(t) — התקפות תמיד.
- הזריקה היא מקרה פרטי של תנועה בהשפעת כוח קבוע: לאורך הכוח תנועה בתאוצה קבועה, בניצב לו תנועה קצובה, והמסלול פרבולה כל אימת שהמהירות ההתחלתית אינה מקבילה לכוח.
סיכום נוסחאות הפרק:
| החוק | הנוסחה |
|---|---|
| זריקה אופקית | x = v0·t , y = h − 12·g·t2 |
| זריקה משופעת | x = v0·cos θ·t , y = v0·sin θ·t − 12·g·t2 |
| זמן מעוף וגובה מרבי | tf = 2·v0·sin θg , hmax = v02·sin2 θ2·g |
| טווח | R = v02·sin 2θg |
מילון מונחים:
| עברית | English | العربية |
|---|---|---|
| זריקה אופקית | Horizontal projectile motion | القذف الأفقي |
| זריקה משופעת | Oblique projectile motion | القذف المائل (الرمي المائل) |
| טווח | Range | المدى |
| זמן מעוף | Time of flight | زمن الطيران |
| פרבולה | Parabola | القطع المكافئ |
תרגילים מותאמים לסעיפי הפרק:
תרגילי סיכום:
א. מהו הגובה המרבי שהכדור מגיע אליו מעל הקרקע?
ב. כעבור כמה זמן הוא מגיע לקרקע?
ג. באיזה מרחק אופקי מן הבניין הוא נוחת?
ד. מה גודל מהירותו ברגע הפגיעה?
א. השוו בין שני זמני הנפילה.
ב. חשבו את הטווח של כל כדור.
ג. מאיזה גובה יש לזרוק את הראשון, באותה מהירות, כדי שטווחו יוכפל? נמקו בחישוב.
תרגילי העמקה:
א. האם הכדור עובר מעל החומה? חשבו את גובהו בהגיעו אליה.
ב. מהם שני רכיבי מהירותו שם — והאם הוא עלה או ירד באותו רגע?
ג. באיזה מרחק מאחורי החומה נוחת הכדור?
שאלות בגרות לפרק 4
| סעיף | הנדרש | תשובה סופית |
|---|---|---|
| א | תיאור מילולי של התנועה | בציר האופקי תנועה קצובה עם aₓ = 0 · בציר האנכי תנועה שוות-תאוצה עם a = g = 10 m/s² ומהירות התחלתית אפס · המסלול חצי פרבולה |
| ב | גודל המהירות ברגע הפגיעה | v ≈ 27.7 m/s , כלומר כ-99.6 km/h |
| ג | חישוב H, הגובה המרבי | H ≈ 17.1 m · ובדרך אגב t₁ ≈ 1.85 s ו-L ≈ 38.0 m |
| ד | המהירות האופקית בזריקה השנייה | v(x2) ≈ 21.2 m/s , כלומר כ-76.3 km/h |
| ה | השוואת זוויות הפגיעה, בלי חישוב | זווית הפגיעה בזריקה השנייה קטנה מזו שבזריקה הראשונה · 40.3° מול 42° |
| סעיף | הנדרש | תשובה סופית |
|---|---|---|
| א | זמן הנפילה עד הפגיעה בקרקע | t = 1.0954 s ≈ 1.1 s · זהה לכל אחד משלושת הכדורים ואינו תלוי במהירות האופקית |
| ב | מהירות הפגיעה בקרקע, גודל וכיוון | v = 11.358 m/s ≈ 11.4 m/s · הכיוון קדימה ומטה בזווית θ = 74.7° מתחת לאופק , כלומר 15.3° מן האנך |
| ג | המרחק בין שתי נקודות הפגיעה של שני כדורים עוקבים הוא Δx = v₀·Δt = 1.5 m | |
| ד | איזה תרשים מתאר נכון את המצב | תרשים 4 · קו אנכי אחד מתחת לרחפן , ומרווחים של 1.25 m ו 3.75 m שיחסם 1 : 3 |
| ה | מי צודק, יוסף או דאנה | דאנה צודקת · v = 11.358 m/s ≈ 11.4 m/s בשני המצבים , בלי כל תלות בזווית α |