У ракеты, стартовавшей вертикально вверх с ускорением а = 4g, отделилась первая ступень и упала на землю через время 40 с после старта. На какой высоте произошло отделение? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Вопрос школьника по предмету Физика

У ракеты, стартовавшей вертикально вверх с ускорением а = 4g, отделилась первая
ступень и упала на землю через время 40 с после старта. На какой высоте произошло отделение?
Сопротивлением воздуха пренебречь.

Ответ учителя по предмету Физика

время Δt складывается из времен подъема ракеты t1 до высоты h и спуска ступени t2 с этой высоты:

Δt = t1 + t2 (!)

если ракета начинала подъем без начальной скорости, то справедливо уравнение:

h = (a t1²)/2 = 2g t1²

поэтому время t1 равно:

t1 = √(h/(2g))

ракета, поднявшись на высоту h, приобретает скорость v = a t1 = 4g t1. такую же скорость по модулю, но обратную по направлению, приобретает ступень. для нее справедливо уравнение:

h = 4g t1 t2 + (g t2²)/2

перепишем квадратное уравнение относительно t2 в виде:

t2² + 8 t1 t2 — (2h)/g = 0

корень этого уравнения (отрицательный, разумеется, отбрасываю):

t2 = (-8 t1 + √(64 t1² + (8h)/g))/2

t2 = √(16 t1² + (2h)/g) — 4 t1

после ряда преобразований и подстановки выражения для t1 получаем:

t2 = √(h/g) * (√10 — √8)

вернемся к формуле (!):

Δt = √(h/(2g)) + √(h/g) * (√10 — √8)

нетрудно получить выражение для h:

h = (g Δt²)/(√(1/2) + √10 — √8)²

h = (9.8*40^(2))/(sqrt(0.5)+sqrt(10)-sqrt(8))^(2) ≈ 
14470.389 м

h ≈ 14.47 км