Aby obliczyć wartość prędkości początkowej kulki KB, musimy najpierw wyznaczyć współrzędną $y_C$ punktu zderzenia oraz czas zderzenia $t_z$, korzystając z równań ruchu obu kulek.
-
Krok 1: Równania ruchu kulki KA (rzut poziomy z punktu A)
Kulka KA startuje z punktu $A = (0;\ 12)$ z prędkością poziomą $v_{0A} = 8\ \text{m/s}$. Przyjmujemy oś $y$ skierowaną ku górze, $g = 10\ \text{m/s}^2$.
Równania ruchu:
$$x_A(t) = v_{0A} \cdot t = 8t$$
$$y_A(t) = 12 - \frac{1}{2}g t^2 = 12 - 5t^2$$
-
Krok 2: Wyznaczenie czasu zderzenia $t_z$ na podstawie współrzędnej $x$ punktu C
Punkt zderzenia to $C = (6;\ y_C)$. Kulka KA musi znaleźć się w chwili $t_z$ w punkcie o $x = 6\ \text{m}$:
$$x_A(t_z) = 8 t_z = 6$$
$$t_z = \frac{6}{8} = 0{,}75\ \text{s}$$
-
Krok 3: Wyznaczenie współrzędnej $y_C$ punktu zderzenia
Podstawiamy $t_z = 0{,}75\ \text{s}$ do równania $y_A(t)$:
$$y_C = y_A(t_z) = 12 - 5 \cdot (0{,}75)^2 = 12 - 5 \cdot 0{,}5625 = 12 - 2{,}8125 \approx 9{,}19\ \text{m}$$
-
Krok 4: Równania ruchu kulki KB (rzut pionowy w górę z punktu B)
Kulka KB startuje z punktu $B = (6;\ 0)$ z prędkością pionową w górę $v_{0B}$. Ponieważ ruch jest wyłącznie pionowy, współrzędna $x$ nie zmienia się — kulka zawsze ma $x = 6\ \text{m}$, co jest zgodne z $x_C = 6\ \text{m}$. Równanie ruchu po osi $y$:
$$y_B(t) = v_{0B} \cdot t - \frac{1}{2}g t^2$$
-
Krok 5: Obliczenie $v_{0B}$ z warunku zderzenia
W chwili $t_z = 0{,}75\ \text{s}$ kulka KB musi znajdować się w punkcie $C$, czyli $y_B(t_z) = y_C$:
$$v_{0B} \cdot t_z - \frac{1}{2}g t_z^2 = y_C$$
$$v_{0B} \cdot 0{,}75 - 5 \cdot (0{,}75)^2 = 12 - 5 \cdot (0{,}75)^2$$
Zauważamy, że wyrazy $-5 \cdot (0{,}75)^2$ po obu stronach się skracają:
$$v_{0B} \cdot 0{,}75 = 12$$
$$v_{0B} = \frac{12}{0{,}75} = 16\ \text{m/s}$$
Wynik końcowy:
$$\boxed{v_{0B} = 16\ \text{m/s}}$$
Wartość prędkości początkowej kulki KB wynosi $v_{0B} = 16\ \text{m/s}$.
Uwaga interpretacyjna: Elegancką obserwacją jest to, że oba człony $-\tfrac{1}{2}g t_z^2$ w równaniach $y_A(t_z)$ i $y_B(t_z)$ są identyczne i się skracają. Wynika stąd prosta zależność: $v_{0B} \cdot t_z = y_A(0) = 12\ \text{m}$, co oznacza, że kulka KB musiałaby przy jednostajnym ruchu (bez grawitacji) w czasie $t_z$ pokonać dokładnie różnicę wysokości między punktami $A$ i $B$, równą $12\ \text{m}$.
