परवलयिक गति

File:ParabolicWaterTrajectory.jpg

परवलयिक जल गति प्रक्षेपवक्र

परवलयिक फेंकने के प्रारंभिक वेग के घटक

प्रक्षेप्य गति कण प्रक्षेप्य द्वारा अनुभव की जाने वाली गति (भौतिकी) का रूप है। जिसे गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में प्रक्षेपित किया जाता है, जैसे कि पृथ्वी की ग्रह सतह से केवल गुरुत्वाकर्षण की क्रिया के अनुसार घुमावदार पथ के साथ चलती है। पृथ्वी की प्रक्षेप्य गति के विशेष स्थितियों में अधिकांश गणनाएँ मानती हैं कि वायु प्रतिरोध के प्रभाव निष्क्रिय और नगण्य हैं। प्रक्षेप्य गति में वस्तुओं का घुमावदार मार्ग गैलीलियो द्वारा परवलय के रूप में दिखाया गया था। किन्तु विशेष स्थितियों में सीधी रेखा भी हो सकती है जब इसे सीधे ऊपर की ओर फेंका जाता है। इस प्रकार की गतियों के अध्ययन को प्राक्षेपिकी कहा जाता है और इस प्रकार के प्रक्षेपवक्र को बाहरी प्राक्षेपिकी कहा जाता है। गणितीय महत्व का मात्र बल जो वस्तु पर सक्रिय रूप से लगाया जाता है और गुरुत्वाकर्षण है, जो नीचे की ओर कार्य करता है। इस प्रकार वस्तु को पृथ्वी के द्रव्यमान के केंद्र की ओर नीचे की ओर त्वरण प्रदान करता है। वस्तु की जड़ता के कारण वस्तु की गति के क्षैतिज वेग वेक्टर घटक को बनाए रखने के लिए किसी बाहरी बल की आवश्यकता नहीं होती है। अन्य बलों को ध्यान में रखते हुए, जैसे वायुगतिकीय कर्षण, आंतरिक प्रणोदन जैसे कि राकेट के अतिरिक्त विश्लेषण की आवश्यकता होती है। प्राक्षेपिकी मिसाइल उड़ान के अपेक्षाकृत संक्षिप्त प्रारंभिक संचालित उड़ान चरण के पर्यन्त मिसाइल केवल मिसाइल मार्गदर्शन है और जिसका शेष पाठ्यक्रम मौलिक यांत्रिकी के नियमों द्वारा शासित होता है।

प्राक्षेपिकी गतिकी (यांत्रिकी) का विज्ञान है जो प्रक्षेप्य की उड़ान व्यवहार और प्रभावों से संबंधित है विशेष रूप से गोलियां के अतिरिक्त निर्देशित बम, रॉकेट, इसी प्रकार, वांछित प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए प्रक्षेप्य की रचना करने और तेज करने की वैज्ञानिक कला है।

File:Mplwp ballistic trajectories velocities.svg

एयर कर्षण और अलग-अलग प्रारंभिक वेगों के साथ प्रक्षेप्य के प्रक्षेपवक्र

प्राक्षेपिकी के प्रारंभिक समीकरण प्रारंभिक वेग और अनुमानित निरंतर गुरुत्वाकर्षण त्वरण को छोड़कर लगभग हर कारक की उपेक्षा करते हैं। प्राक्षेपिकी समस्या के व्यावहारिक समाधान के लिए अधिकांशतः वायु प्रतिरोध, पार हवा, लक्ष्य गति, गुरुत्वाकर्षण के कारण अलग-अलग त्वरण और पृथ्वी पर बिंदु से दूसरे तक रॉकेट प्रक्षेपण करने जैसी समस्याओं में पृथ्वी के घूर्णन पर विचार करने की आवश्यकता होती है। व्यावहारिक समस्याओं के विस्तृत गणितीय समाधानों में सामान्यतः बंद-रूप अभिव्यक्ति नहीं होती है | बंद-रूप समाधान होते हैं और इसलिए उन्हें संबोधित करने के लिए संख्यात्मक विधियों की आवश्यकता होती है।

गतिज मात्राएँ

प्रक्षेप्य गति में क्षैतिज गति और ऊर्ध्वाधर गति दूसरे से स्वतंत्र होती है, अर्थात कोई भी गति दूसरे को प्रभावित नहीं करती है। यह 1638 में गैलीलियो द्वारा स्थापित यौगिक गति का सिद्धांत है और उनके द्वारा प्रक्षेप्य गति के परवलयिक रूप को सिद्ध करने के लिए उपयोग किया गया।

File:Compound Motion.gif

प्रक्षेप्य के वेग के क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर घटक दूसरे से स्वतंत्र होते हैं।

प्राक्षेपिकी प्रक्षेपवक्र सजातीय त्वरण के साथ परवलय है, जैसे अंतरिक्ष जहाज में अन्य बलों की अनुपस्थिति में निरंतर त्वरण के साथ पृथ्वी पर त्वरण अक्षांश/देशांतर के साथ ऊंचाई और दिशा के साथ परिमाण बदलता है। यह दीर्घवृत्त प्रक्षेपवक्र का कारण बनता है, जो छोटे पैमाने पर परवलय के बहुत समीप है। चूँकि, यदि कोई वस्तु फेंकी गई और पृथ्वी को अचानक समान द्रव्यमान के ब्लैक होल से बदल दिया गया, तो यह स्पष्ट हो जाएगा कि प्राक्षेपिकी प्रक्षेपवक्र उस ब्लैक होल के चारों ओर अण्डाकार कक्षा का भाग है, न कि परवलय जो अनंत तक फैला हुआ है। उच्च गति पर प्रक्षेपवक्र गोलाकार, परवलयिक अतिशयोक्ति भी हो सकता है जब तक कि चंद्रमा और सूर्य जैसी अन्य वस्तुओं द्वारा विकृत न हो। इस लेख में सजातीय त्वरण माना जाता है।

त्वरण

चूंकि त्वरण केवल ऊर्ध्वाधर दिशा में होता है, क्षैतिज दिशा में वेग स्थिर और बराबर होता है $\mathbf {v} _{0}\cos \theta$. प्रक्षेप्य की ऊर्ध्वाधर गति मुक्त गिरावट के पर्यन्त कण की गति है। यहाँ त्वरण स्थिर है, g के बराबर है। त्वरण के घटक हैं।

$a_{x}=0$,

$a_{y}=-g$.

वेग

बता दें कि प्रक्षेप्य को प्रारंभिक वेग के साथ प्रक्षेपित किया जाता है $\mathbf {v} (0)\equiv \mathbf {v} _{0}$, जिसे क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर घटकों के योग के रूप में निम्नानुसार व्यक्त किया जा सकता है।

$\mathbf {v} _{0}=v_{0x}\mathbf {\hat {x}} +v_{0y}\mathbf {\hat {y}}$.

अवयव $v_{0x}$ और $v_{0y}$ पाया जा सकता है यदि प्रारंभिक प्रक्षेपण कोण, $\theta$, ज्ञात है।

$v_{0x}=v_{0}\cos(\theta )$,

$v_{0y}=v_{0}\sin(\theta )$

गति के पर्यन्त वस्तु के वेग का क्षैतिज घटक अपरिवर्तित रहता है। वेग का ऊर्ध्वाधर घटक रैखिक रूप से बदलता है, क्योंकि गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण स्थिर है। x और y दिशाओं में त्वरणों को किसी भी समय t पर वेग के घटकों को हल करने के लिए निम्नानुसार स्वीकृत किया जा सकता है।

$v_{x}=v_{0}\cos(\theta )$,

$v_{y}=v_{0}\sin(\theta )-gt$.

वेग का परिमाण पाइथागोरस प्रमेय के अंतर्गत, जिसे त्रिभुज नियम भी कहा जाता है।

$v={\sqrt {v_{x}^{2}+v_{y}^{2}}}$.

विस्थापन

File:Ferde hajitas3.svg

परवलयिक फेंकने का विस्थापन और निर्देशांक

किसी भी समय $t$, प्रक्षेप्य का क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर विस्थापन (वेक्टर) हैं।

$x=v_{0}t\cos(\theta )$,

$y=v_{0}t\sin(\theta )-{\frac {1}{2}}gt^{2}$.

विस्थापन का परिमाण है।

$\Delta r={\sqrt {x^{2}+y^{2}}}$.

समीकरणों पर विचार करें,

$x=v_{0}t\cos(\theta ),y=v_{0}t\sin(\theta )-{\frac {1}{2}}gt^{2}$.

यदि इन दो समीकरणों के बीच t को हटा दिया जाए तो निम्नलिखित समीकरण प्राप्त होता है।

$y=\tan(\theta )\cdot x-{\frac {g}{2v_{0}^{2}\cos ^{2}\theta }}\cdot x^{2}$.

चूँकि g, θ, और v₀ नियतांक हैं, उपरोक्त समीकरण का रूप है

$y=ax+bx^{2}$,

जिसमें a और b स्थिरांक हैं। यह परवलय का समीकरण है, इसलिए पथ परवलयिक है। परवलय का अक्ष लंबवत है।

यदि प्रक्षेप्य की स्थिति (x, y) और प्रक्षेपण कोण (θ या α) ज्ञात हैं, तो प्रारंभिक वेग को v₀ के लिए हल करते हुए पाया जा सकता है उपरोक्त परवलयिक समीकरण में।

$v_{0}={\sqrt {{x^{2}g} \over {x\sin 2\theta -2y\cos ^{2}\theta }}}$.

ध्रुवीय निर्देशांक में विस्थापन

प्रक्षेप्य के परवलयिक प्रक्षेपवक्र को कार्तीय निर्देशांक के अतिरिक्त ध्रुवीय निर्देशांक में भी व्यक्त किया जा सकता है। इस स्थितियों में स्थिति का सामान्य सूत्र है।

$r(\phi )={\frac {2v_{0}^{2}\cos ^{2}\theta }{g}}\left(\tan \theta \sec \phi -\tan \phi \sec \phi \right)$.

इस समीकरण में मूल प्रक्षेप्य की क्षैतिज सीमा का मध्य बिंदु है और यदि धरती समतल है, तो परवलयिक चाप को सीमा में कथानक किया जाता है $0\leq \phi \leq \pi$. जैसा कि ऊपर कहा गया है, कार्टेशियन समीकरण को बदलकर यह अभिव्यक्ति प्राप्त की जा सकती है $y=r\sin \phi$ और $x=r\cos \phi$.

प्रक्षेपवक्र के गुण

उड़ान का समय या पूरी यात्रा का कुल समय

कुल समय t जिसके लिए प्रक्षेप्य हवा में रहता है उसे उड़ान का समय कहा जाता है।

$y=v_{0}t\sin(\theta )-{\frac {1}{2}}gt^{2}$

उड़ान के बाद, प्रक्षेप्य क्षैतिज अक्ष (एक्स-अक्ष) पर लौटता है, इसलिए $y=0$.

$0=v_{0}t\sin(\theta )-{\frac {1}{2}}gt^{2}$

$v_{0}t\sin(\theta )={\frac {1}{2}}gt^{2}$

$v_{0}\sin(\theta )={\frac {1}{2}}gt$

$t={\frac {2v_{0}\sin(\theta )}{g}}$

ध्यान दें कि हमने प्रक्षेप्य पर वायु प्रतिरोध की उपेक्षा की है।

यदि प्रारंभिक बिंदु ऊंचाई y पर है₀ प्रभाव बिंदु के संबंध में, उड़ान का समय है।

$t={\frac {d}{v\cos \theta }}={\frac {v\sin \theta +{\sqrt {(v\sin \theta )^{2}+2gy_{0}}}}{g}}$

ऊपर के रूप में इस अभिव्यक्ति को कम किया जा सकता है।

$t={\frac {v\sin {\theta }+{\sqrt {(v\sin {\theta })^{2}}}}{g}}={\frac {v\sin {\theta }+v\sin {\theta }}{g}}={\frac {2v\sin {\theta }}{g}}={\frac {2v\sin {(45)}}{g}}={\frac {2v{\frac {\sqrt {2}}{2}}}{g}}={\frac {{\sqrt {2}}v}{g}}$

अगर θ 45° और y₀ , 0 है।

लक्ष्य की स्थिति के लिए उड़ान का समय

जैसा कि विस्थापन खंड में ऊपर दिखाया गया है, प्रक्षेप्य की क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर गति दूसरे से स्वतंत्र होती है।

इस वजह से हम क्षैतिज वेग के लिए विस्थापन सूत्र का उपयोग करके किसी लक्ष्य तक पहुँचने का समय पा सकते हैं।

$x=v_{0}t\cos(\theta )$

${\frac {x}{t}}=v_{0}\cos(\theta )$

$t={\frac {x}{v_{0}\cos(\theta )}}$ यह समीकरण वायु प्रतिरोध की उपेक्षा करते हुए, लक्ष्य के क्षैतिज विस्थापन तक पहुँचने के लिए प्रक्षेप्य को यात्रा करने में लगने वाला कुल समय देगा।

प्रक्षेप्य की अधिकतम ऊंचाई

File:Ferde hajitas4.svg

प्रक्षेप्य की अधिकतम ऊंचाई

वस्तु जिस अधिकतम ऊँचाई तक पहुँचेगी उसे वस्तु की गति का शिखर कहा जाता है।

ऊंचाई में वृद्धि तब तक रहेगी $v_{y}=0$ वह है,

$0=v_{0}\sin(\theta )-gt_{h}$.

अधिकतम ऊंचाई तक पहुंचने का समय (एच),

$t_{h}={\frac {v_{0}\sin(\theta )}{g}}$.

प्रक्षेप्य की अधिकतम ऊंचाई के ऊर्ध्वाधर विस्थापन के लिए,

$h=v_{0}t_{h}\sin(\theta )-{\frac {1}{2}}gt_{h}^{2}$

$h={\frac {v_{0}^{2}\sin ^{2}(\theta )}{2g}}$

अधिकतम पहुंच योग्य ऊंचाई θ=90° के लिए प्राप्त की जाती है।

$h_{\mathrm {max} }={\frac {v_{0}^{2}}{2g}}$

क्षैतिज सीमा और अधिकतम ऊंचाई के बीच संबंध

क्षैतिज तल पर श्रेणी d के बीच संबंध और अधिकतम ऊंचाई h पर पहुंचा ${\frac {t_{d}}{2}}$ है।

$h={\frac {d\tan \theta }{4}}$

style="background: #F0F2F5; font-size:87%; padding:0.2em 0.3em; text-align:center; " | Proof
$h={\frac {v_{0}^{2}\sin ^{2}\theta }{2g}}$ $d={\frac {v_{0}^{2}\sin 2\theta }{g}}$ ${\frac {h}{d}}={\frac {v_{0}^{2}\sin ^{2}\theta }{2g}}$ × ${\frac {g}{v_{0}^{2}\sin 2\theta }}$ ${\frac {h}{d}}={\frac {\sin ^{2}\theta }{4\sin \theta \cos \theta }}$ $h={\frac {d\tan \theta }{4}}$.

प्रक्षेप्य की अधिकतम दूरी

Main article: एक प्रक्षेप्य की रेंज

File:Ferde hajitas5.svg

प्रक्षेप्य की अधिकतम दूरी

प्रक्षेप्य की सीमा और अधिकतम ऊंचाई उसके द्रव्यमान पर निर्भर नहीं करती है। इसलिए समान वेग और दिशा से फेंके जाने वाले सभी पिंडों के लिए परास और अधिकतम ऊंचाई समान होती है।

प्रक्षेप्य की क्षैतिज सीमा d वह क्षैतिज दूरी है, जो इसने तय की है जब यह अपनी प्रारंभिक ऊंचाई पर वापस आती है ($y=0$)।

$0=v_{0}t_{d}\sin(\theta )-{\frac {1}{2}}gt_{d}^{2}$.

धरती पर पहुंचने का समय,

$t_{d}={\frac {2v_{0}\sin(\theta )}{g}}$.

क्षैतिज विस्थापन से प्रक्षेप्य की अधिकतम दूरी,

$d=v_{0}t_{d}\cos(\theta )$,

इसलिए

$d={\frac {v_{0}^{2}}{g}}\sin(2\theta )$.

ध्यान दें कि d का अधिकतम मान कब होता है,

$\sin 2\theta =1$,

जो अनिवार्य रूप से मेल खाता है,

$2\theta =90^{\circ }$,

या

$\theta =45^{\circ }$.

File:Ideal projectile motion for different angles.svg

अलग-अलग ऊंचाई के कोणों पर प्रक्षेपण किए गए प्रक्षेप्य के प्रक्षेपवक्र किन्तु वैक्यूम में 10 मीटर/सेकेंड की समान गति और 10 मीटर/सेकेंड के समान नीचे की ओर गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र 2</उप>। अंक 0.05 सेकेंड के अंतराल पर हैं और उनकी पूंछ की लंबाई उनकी गति के रैखिक रूप से आनुपातिक है। टी = प्रक्षेपण से समय, टी = उड़ान का समय, आर = श्रेणी और एच = प्रक्षेपवक्र का उच्चतम बिंदु तीरों के साथ संकेतित।

कुल क्षैतिज दूरी (d) तय की गई।

$d={\frac {v\cos \theta }{g}}\left(v\sin \theta +{\sqrt {(v\sin \theta )^{2}+2gy_{0}}}\right)$

जब सतह समतल हो वस्तु की प्रारंभिक ऊंचाई शून्य हो), तो तय की गई दूरी,

$d={\frac {v^{2}\sin(2\theta )}{g}}$

इस प्रकार अधिकतम दूरी प्राप्त की जाती है यदि θ 45 डिग्री है। यह दूरी है,

$d_{\mathrm {max} }={\frac {v^{2}}{g}}$

कार्य ऊर्जा प्रमेय का अनुप्रयोग

कार्य (भौतिकी) के अनुसार कार्य-ऊर्जा सिद्धांत|कार्य-ऊर्जा प्रमेय वेग का ऊर्ध्वाधर घटक है।

$v_{y}^{2}=(v_{0}\sin \theta )^{2}-2gy$.

ये सूत्र वायुगतिकीय कर्षण को अनदेखा करते हैं और यह भी मानते हैं कि अवतरण क्षेत्र समान ऊंचाई 0 पर है।

पहुंच का कोण

पहुंच का कोण वह कोण (θ) है जिस पर d दूरी जाने के लिए प्रक्षेप्य प्रक्षेपण किया जाना चाहिए, प्रारंभिक वेग v।

$\sin(2\theta )={\frac {gd}{v^{2}}}$

दो समाधान हैं,

$\theta ={\frac {1}{2}}\arcsin \left({\frac {gd}{v^{2}}}\right)$ (उथला प्रक्षेपवक्र)

और

$\theta ={\frac {1}{2}}\arccos \left({\frac {gd}{v^{2}}}\right)$ (खड़ी प्रक्षेपवक्र)

कोण θ निर्देशांक प्रहार करने के लिए आवश्यक (x, y)

File:Trajectory for changing launch angle.gif

विभिन्न प्रक्षेपण कोणों के लिए प्रक्षेप्य का निर्वात प्रक्षेपवक्र। प्रक्षेपण की गति सभी कोणों के लिए समान है, 50मी/से अगर जी 10मी/सेकेंड है2</उप>।

श्रेणी x और ऊंचाई y पर लक्ष्य को प्रहार करने के लिए जब (0,0) और प्रारंभिक गति v से प्रज्वलित किया जाता है, तो आवश्यक कोण प्रक्षेपण के θ हैं।

$\theta =\arctan {\left({\frac {v^{2}\pm {\sqrt {v^{4}-g(gx^{2}+2yv^{2})}}}{gx}}\right)}$

समीकरण की दो जड़ें दो संभावित प्रक्षेपण कोणों के अनुरूप हैं, जब तक कि वे काल्पनिक नहीं हैं, उस स्थिति में प्रारंभिक गति बिंदु तक पहुंचने के लिए पर्याप्त नहीं है (x, वाई) चुना गया। यह सूत्र के अतिरिक्त किसी प्रतिबंध के आवश्यक प्रक्षेपण के कोण को खोजने की अनुमति देता है $y=0$.

कोई यह भी पूछ सकता है कि कौन सा प्रक्षेपण कोण सबसे कम संभव प्रक्षेपण वेग की अनुमति देता है। यह तब होता है जब उपरोक्त दो समाधान समान होते हैं, जिसका अर्थ है कि वर्गमूल चिह्न के अनुसार मात्रा शून्य है। इसके लिए द्विघात समीकरण को हल करने की आवश्यकता है $v^{2}$, और हम पाते हैं

$v^{2}/g=y+{\sqrt {y^{2}+x^{2}}}.$

यह देता है

$\theta =\arctan \left(y/x+{\sqrt {y^{2}/x^{2}+1}}\right).$

यदि हम उस कोण को निरूपित करते हैं जिसकी स्पर्श रेखा है y/x द्वारा α, तब

$\tan \theta ={\frac {\sin \alpha +1}{\cos \alpha }}$

$\tan(\pi /2-\theta )={\frac {\cos \alpha }{\sin \alpha +1}}$

$\cos ^{2}(\pi /2-\theta )={\frac {1}{2}}(\sin \alpha +1)$

$2\cos ^{2}(\pi /2-\theta )-1=\cos(\pi /2-\alpha )$

यह संकेत करता है

$\theta =\pi /2-{\frac {1}{2}}(\pi /2-\alpha ).$

दूसरे शब्दों में, प्रक्षेपण लक्ष्य और शीर्षबिंदु गुरुत्वाकर्षण के विपरीत वेक्टर के बीच आधे रास्ते पर होना चाहिए।

प्रक्षेपवक्र की कुल पथ लंबाई

प्रक्षेप्य L द्वारा अनुरेखित परवलयिक चाप की लंबाई, यह देखते हुए कि प्रक्षेपण और अवतरण की ऊंचाई समान है और कोई वायु प्रतिरोध नहीं है, सूत्र द्वारा दिया गया है।

$L={\frac {v_{0}^{2}}{2g}}\left(2\sin \theta +\cos ^{2}\theta \cdot \ln {\frac {1+\sin \theta }{1-\sin \theta }}\right)={\frac {v_{0}^{2}}{g}}\left(\sin \theta +\cos ^{2}\theta \cdot \tanh ^{-1}(\sin \theta )\right)$

जहाँ पे $v_{0}$ प्रारंभिक वेग है, $\theta$ प्रक्षेपण कोण है और $g$ सकारात्मक मूल्य के रूप में गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण है। प्रारंभिक और अंतिम विस्थापन अर्थात 0 और प्रक्षेप्य की क्षैतिज सीमा के बीच के बीच ऊंचाई-दूरी परवलय के लिए चाप की लंबाई का मूल्यांकन करके अभिव्यक्ति प्राप्त की जा सकती है।

$L=\int _{0}^{\mathrm {range} }{\sqrt {1+\left({\frac {\mathrm {d} y}{\mathrm {d} x}}\right)^{2}}}\,\mathrm {d} x=\int _{0}^{v_{0}^{2}\sin(2\theta )/g}{\sqrt {1+\left(-{\frac {g}{v_{0}^{2}\cos ^{2}\theta }}x+\tan \theta \right)^{2}}}\,\mathrm {d} x$.

वायु प्रतिरोध के साथ प्रक्षेप्य का प्रक्षेपवक्र

File:Inclinedthrow2.gif

स्टोक्स का कर्षण
  न्यूटोनियन कर्षण के साथ

वायु प्रतिरोध बल बनाता है जो सममित प्रक्षेप्य के लिए सदैव आसपास के माध्यम में गति की दिशा के विरुद्ध निर्देशित होता है और इसमें परिमाण होता है, जो पूर्ण गति पर निर्भर करता है। $\mathbf {F_{air}} =-f(v)\cdot \mathbf {\hat {v}}$. घर्षण बल की गति-निर्भरता रैखिक है ($f(v)\propto v$) बहुत कम गति पर स्टोक्स कर्षण और द्विघात ($f(v)\propto v^{2}$) बड़ी गति से खींचें समीकरण। इन व्यवहारों के बीच संक्रमण रेनॉल्ड्स संख्या द्वारा निर्धारित किया जाता है, जो गति, वस्तु के आकार और माध्यम की कीनेमेटिक चिपचिपाहट पर निर्भर करता है। लगभग 1000 से नीचे रेनॉल्ड्स संख्या के लिए निर्भरता रैखिक है, इसके ऊपर यह द्विघात हो जाता है। हवा में जिसके चारों ओर कीनेमेटिक चिपचिपाहट होती है $0.15\,\mathrm {cm^{2}/s}$, इसका अर्थ है कि वेग और व्यास का गुणनफल लगभग से अधिक होने पर कर्षण बल v में द्विघात हो जाता है $0.015\,\mathrm {m^{2}/s}$, जो सामान्यतः प्रक्षेप्य के स्थितियों में होता है।

• स्टोक्स कर्षण: $\mathbf {F_{air}} =-k_{\mathrm {Stokes} }\cdot \mathbf {v} \qquad$ (के लिए $Re\lesssim 1000$)
• न्यूटन कर्षण: $\mathbf {F_{air}} =-k\,|\mathbf {v} |\cdot \mathbf {v} \qquad$ (के लिए $Re\gtrsim 1000$)

File:Free body diagram gravity air resistance.svg

पिंड का मुक्त शरीर आरेख जिस पर केवल गुरुत्वाकर्षण और वायु प्रतिरोध कार्य करता है

दाईं ओर मुक्त शरीर आरेख प्रक्षेप्य के लिए है जो वायु प्रतिरोध और गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव का अनुभव करता है। यहाँ वायु प्रतिरोध को प्रक्षेप्य के वेग के विपरीत दिशा में माना जाता है। $\mathbf {F_{\mathrm {air} }} =-f(v)\cdot \mathbf {\hat {v}}$

स्टोक्स कर्षण के साथ प्रक्षेप्य का प्रक्षेपवक्र स्टोक्स जहाँ कर्षण हैं $\mathbf {F_{air}} \propto \mathbf {v}$, केवल हवा में बहुत कम गति पर लागू होता है और इस प्रकार प्रक्षेप्य के लिए विशिष्ट स्थिति नहीं है। चूँकि रैखिक निर्भरता $F_{\mathrm {air} }$ पर $v$ गति के बहुत ही सरल अंतर समीकरण का कारण बनता है

${\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}{\begin{pmatrix}v_{x}\\v_{y}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}-\mu \,v_{x}\\-g-\mu \,v_{y}\end{pmatrix}}$

जिसमें दो कार्तीय घटक पूरी प्रकार से स्वतंत्र हो जाते हैं और इस प्रकार हल करना आसान हो जाता है। यहां, $v_{0}$,$v_{x}$ और $v_{y}$ प्रारंभिक वेग, x की दिशा में वेग और y की दिशा में वेग को क्रमशः निरूपित करने के लिए उपयोग किया जाएगा। प्रक्षेप्य के द्रव्यमान को m द्वारा निरूपित किया जाएगा और $\mu :=k/m$. व्युत्पत्ति के लिए केवल स्थिति जहां $0^{o}\leq \theta \leq 180^{o}$ माना जाता है। फिर से प्रक्षेप्य को उत्पत्ति (0,0) से निकाल दिया जाता है।

style="background: #F0F2F5; font-size:87%; padding:0.2em 0.3em; text-align:center; " | क्षैतिज स्थिति की व्युत्पत्ति

रिश्ते जो कण की गति का प्रतिनिधित्व करते हैं, न्यूटन के दूसरे कानून द्वारा एक्स और वाई दोनों दिशाओं में प्राप्त किए जाते हैं। एक्स दिशा में $\Sigma F=-kv_{x}=ma_{x}$ और वाई दिशा में $\Sigma F=-kv_{y}-mg=ma_{y}$. इसका अर्थ यह है कि: $a_{x}=-\mu v_{x}={\frac {\mathrm {d} v_{x}}{\mathrm {d} t}}$ (1), और $a_{y}=-\mu v_{y}-g={\frac {\mathrm {d} v_{y}}{\mathrm {d} t}}$ (2) हल करना (1) एक प्राथमिक अंतर समीकरण है, इस प्रकार v के लिए एक अद्वितीय समाधान के लिए कदमx और बाद में, x की गणना नहीं की जाएगी। प्रारंभिक स्थितियों को देखते हुए $v_{x}=v_{x0}$ (जहां vx0 प्रारंभिक वेग का x घटक समझा जाता है) और $x=0$ के लिए $t=0$: $v_{x}=v_{x0}e^{-\mu t}$ (1ए)

$x(t)={\frac {v_{x0}}{\mu }}\left(1-e^{-\mu t}\right)$ (1बी)

style="background: #F0F2F5; font-size:87%; padding:0.2em 0.3em; text-align:center; " | ऊर्ध्वाधर स्थिति की व्युत्पत्ति

जबकि (1) एक ही तरह से बहुत अधिक हल किया जाता है, (2) इसकी गैर-सजातीय प्रकृति के कारण विशिष्ट रुचि का है। इसलिए, हम व्यापक रूप से हल करेंगे (2)। ध्यान दें कि इस मामले में प्रारंभिक शर्तों का उपयोग किया जाता है $v_{y}=v_{y0}$ और $y=0$ जब $t=0$. ${\frac {\mathrm {d} v_{y}}{\mathrm {d} t}}=-\mu v_{y}-g$ (2) ${\frac {\mathrm {d} v_{y}}{\mathrm {d} t}}+\mu v_{y}=-g$ (2क) यह पहला क्रम, रैखिक, गैर-सजातीय अंतर समीकरण कई तरीकों से हल किया जा सकता है; हालाँकि, इस उदाहरण में, एक एकीकृत कारक के माध्यम से समाधान तक पहुँचना तेज़ होगा $e^{\int \mu \,\mathrm {d} t}$. $e^{\mu t}({\frac {\mathrm {d} v_{y}}{\mathrm {d} t}}+\mu v_{y})=e^{\mu t}(-g)$ (एस) $(e^{\mu t}v_{y})^{\prime }=e^{\mu t}(-g)$ (शायद) $\int {(e^{\mu t}v_{y})^{\prime }\,\mathrm {d} t}=e^{\mu t}v_{y}=\int {e^{\mu t}(-g)\,\mathrm {d} t}$ (एक) $e^{\mu t}v_{y}={\frac {1}{\mu }}e^{\mu t}(-g)+C$(एफ) $v_{y}={\frac {-g}{\mu }}+Ce^{-\mu t}$ (2जी) और एकीकरण से हम पाते हैं: $y=-{\frac {g}{\mu }}t-{\frac {1}{\mu }}(v_{y0}+{\frac {g}{\mu }})e^{-\mu t}+C$ (3) हमारी प्रारंभिक स्थितियों के लिए समाधान: $v_{y}(t)=-{\frac {g}{\mu }}+(v_{y0}+{\frac {g}{\mu }})e^{-\mu t}$ (इ) $y(t)=-{\frac {g}{\mu }}t-{\frac {1}{\mu }}(v_{y0}+{\frac {g}{\mu }})e^{-\mu t}+{\frac {1}{\mu }}(v_{y0}+{\frac {g}{\mu }})$ (3ए) सरल बनाने के लिए थोड़े से बीजगणित के साथ (3a):

$y(t)=-{\frac {g}{\mu }}t+{\frac {1}{\mu }}\left(v_{y0}+{\frac {g}{\mu }}\right)\left(1-e^{-\mu t}\right)$ 3 बी

style="background: #F0F2F5; font-size:87%; padding:0.2em 0.3em; text-align:center; " | उड़ान के समय की व्युत्पत्ति

वायु प्रतिरोध की उपस्थिति में यात्रा का कुल समय (विशेष रूप से, कब $F_{air}=-kv$) ऊपर की तरह ही रणनीति द्वारा गणना की जा सकती है, अर्थात्, हम समीकरण को हल करते हैं $y(t)=0$. जबकि शून्य वायु प्रतिरोध के मामले में इस समीकरण को प्राथमिक रूप से हल किया जा सकता है, यहाँ हमें लैम्बर्ट डब्ल्यू समारोह की आवश्यकता होगी। समीकरण $y(t)=-{\frac {g}{\mu }}t+{\frac {1}{\mu }}(v_{y0}+{\frac {g}{\mu }})(1-e^{-\mu t})=0$ स्वरूप का है $c_{1}t+c_{2}+c_{3}e^{c_{4}t}=0$, और इस तरह के समीकरण को हल करने योग्य समीकरण में परिवर्तित किया जा सकता है $W$ फ़ंक्शन (ऐसे परिवर्तन का एक उदाहरण देखें Lambert_W_function#Solving_equations)। कुछ बीजगणित से पता चलता है कि बंद रूप में उड़ान का कुल समय इस प्रकार दिया जाता है

$t={\frac {1}{\mu }}\left(1+{\frac {\mu }{g}}v_{y0}+W\left(-\left(1+{\frac {\mu }{g}}v_{y0}\right)e^{-\left(1+{\frac {\mu }{g}}v_{y0}\right)}\right)\right)$.

न्यूटन कर्षण के साथ प्रक्षेप्य का प्रक्षेपवक्र

File:Mplwp skydive trajectory.svg

न्यूटन कर्षण के साथ हवा में आकाश गोताखोर के प्रक्षेपवक्र

लगभग 1000 से ऊपर रेनॉल्ड्स संख्या के स्थितियों में वायु प्रतिरोध का सबसे विशिष्ट स्थिति गति वर्ग के आनुपातिक कर्षण बल के साथ न्यूटन कर्षण है, $F_{\mathrm {air} }=-kv^{2}$. हवा में, जिसके चारों ओर कीनेमेटिक चिपचिपाहट होती है $0.15\,\mathrm {cm^{2}/s}$, इसका मतलब है कि गति और व्यास का उत्पाद लगभग से अधिक होना चाहिए $0.015\,\mathrm {m^{2}/s}$.

दुर्भाग्य से इस स्थितियों के लिए गति के समीकरणों को आसानी से विश्लेषणात्मक रूप से हल नहीं किया जा सकता है। इसलिए, संख्यात्मक समाधान की जांच की जाएगी।

निम्नलिखित धारणाएँ बनाई जाती हैं,

• लगातार गुरुत्वाकर्षण त्वरण
• वायु प्रतिरोध निम्नलिखित कर्षण समीकरण द्वारा दिया गया है,

$\mathbf {F_{D}} =-{\tfrac {1}{2}}c\rho A\,v\,\mathbf {v}$

जहाँ,

• एफ_Dकर्षण फोर्स है
• c कर्षण गुणांक है
• ρ वायु घनत्व है
• A प्रक्षेप्य का अनुप्रस्थ काट क्षेत्र है
• μ = k/m = cρA/(2m)

विशेष स्थितियों

यदि न्यूटन कर्षण के साथ प्रक्षेप्य का सामान्य स्थिति विश्लेषणात्मक रूप से हल नहीं किया जा सकता है, इसमें कुछ विशेष स्थितियों को हल किया जा सकता है। यहां हम निर्बाध गिरावट के रूप में अंतिम गति को निरूपित करते हैं $v_{\infty }={\sqrt {g/\mu }}$ और विशेषता निपटान समय स्थिर $t_{f}=1/{\sqrt {g\mu }}$.

• निकट-क्षैतिज गति, यदि गति लगभग क्षैतिज है, $|v_{x}|\gg |v_{y}|$, जैसे उड़ती हुई गोली, ऊर्ध्वाधर वेग घटक का क्षैतिज गति पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है। इस स्थितियों में,

${\dot {v}}_{x}(t)=-\mu \,v_{x}^{2}(t)$

$v_{x}(t)={\frac {1}{1/v_{x,0}+\mu \,t}}$

$x(t)={\frac {1}{\mu }}\ln(1+\mu \,v_{x,0}\cdot t)$

गुरुत्वाकर्षण नगण्य होने पर किसी भी दिशा में रेखा के साथ घर्षण के साथ गति के लिए ही प्रतिरूप लागू होता है। यह तब भी लागू होता है जब ऊर्ध्वाधर गति को रोका जाता है, जैसे कि चलती कार के लिए जिसका इंजन बंद हो।

• खड़ी गति ऊपर की ओर,::${\dot {v}}_{y}(t)=-g-\mu \,v_{y}^{2}(t)$

$v_{y}(t)=v_{\infty }\tan {\frac {t_{\mathrm {peak} }-t}{t_{f}}}$

$y(t)=y_{\mathrm {peak} }+{\frac {1}{\mu }}\ln \left(\cos {\frac {t_{\mathrm {peak} }-t}{t_{f}}}\right)$

यहां

$v_{\infty }\equiv {\sqrt {\frac {g}{\mu }}},$

$t_{f}\equiv {\frac {1}{\sqrt {\mu g}}},$

$t_{\mathrm {peak} }\equiv t_{f}\arctan {\frac {v_{y,0}}{v_{\infty }}}={\frac {1}{\sqrt {\mu g}}}\arctan {\left({\sqrt {\frac {\mu }{g}}}v_{y,0}\right)},$

और

$y_{\mathrm {peak} }\equiv -{\frac {1}{\mu }}\ln {\cos {\frac {t_{\mathrm {peak} }}{t_{f}}}}={\frac {1}{2\mu }}\ln {\left(1+{\frac {\mu }{g}}v_{y,0}^{2}\right)}$

जहाँ पे $v_{y,0}$ पर प्रारंभिक उर्ध्व वेग है $t=0$ और प्रारंभिक स्थिति है $y(0)=0$.

प्रक्षेप्य से अधिक समय तक नहीं उठ सकता $t_{\mathrm {rise} }={\frac {\pi }{2}}t_{f}$ शीर्ष पर पहुँचने से पहले लंबवत।

• खड़ी गति नीचे की ओर,::${\dot {v}}_{y}(t)=-g+\mu \,v_{y}^{2}(t)$

$v_{y}(t)=-v_{\infty }\tanh {\frac {t-t_{\mathrm {peak} }}{t_{f}}}$

$y(t)=y_{\mathrm {peak} }-{\frac {1}{\mu }}\ln \left(\cosh {\frac {t-t_{\mathrm {peak} }}{t_{f}}}\right)$

कुछ समय के बाद $t_{f}$, प्रक्षेप्य लगभग टर्मिनल वेग तक पहुँच जाता है $-v_{\infty }$.

संख्यात्मक समाधान

कर्षण के साथ प्रक्षेप्य गति को साधारण अंतर समीकरण के सामान्य अंतर समीकरणों के लिए संख्यात्मक विधियों से सामान्य रूप से गणना की जा सकती है, उदाहरण के लिए साधारण अंतर समीकरण प्रथम-क्रम प्रणाली में कमी हल किया जाने वाला समीकरण है।

${\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}{\begin{pmatrix}x\\y\\v_{x}\\v_{y}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}v_{x}\\v_{y}\\-\mu \,v_{x}{\sqrt {v_{x}^{2}+v_{y}^{2}}}\\-g-\mu \,v_{y}{\sqrt {v_{x}^{2}+v_{y}^{2}}}\end{pmatrix}}$.

यह दृष्टिकोण गति-निर्भर कर्षण गुणांक, ऊंचाई-निर्भर वायु घनत्व और स्थिति-निर्भर गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के प्रभावों को जोड़ने की भी अनुमति देता है।

ऊंचा प्रक्षेपवक्र

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उत्तर कोरिया की मिसाइल ह्वासोंग-14 और ह्वासोंग-15 का ऊंचा प्रक्षेपवक्र

रॉकेट के लिए प्राक्षेपिकी प्रक्षेपवक्र का विशेष स्थिति ऊंचा प्रक्षेपवक्र है, न्यूनतम कुल संभावित ऊर्जा सिद्धांत से अधिक अपभू के साथ प्रक्षेपवक्र है। समान श्रेणी के लिए न्यूनतम-ऊर्जा प्रक्षेपवक्र दूसरे शब्दों में रॉकेट अधिक ऊंची यात्रा करता है और ऐसा करने से वह उसी अवतरण बिंदु पर पहुंचने के लिए अधिक ऊर्जा का उपयोग करता है। यह विभिन्न कारणों से किया जा सकता है जैसे अधिक देखने संचार श्रेणी देने के लिए क्षितिज की बढ़ती दूरी उस कोण को बदलने के लिए जिसके साथ मिसाइल अवतरण पर प्रभाव डालेगी। ऊंचा प्रक्षेपवक्र का उपयोग कभी-कभी मिसाइल रॉकेटरी और अंतरिक्ष उड़ान दोनों में किया जाता है।

ग्रहों के पैमाने पर प्रक्षेप्य गति

File:Ballistic-trajectories-planet2.svg

समान क्षेत्र में गति की तुलना में ग्रह के चारों ओर प्रक्षेप्य प्रक्षेपवक्र

जब वायु प्रतिरोध के के अतिरिक्त प्रक्षेप्य पृथ्वी की त्रिज्या (≈100 किमी से ऊपर) की तुलना में महत्वपूर्ण सीमा की यात्रा करता है, तो पृथ्वी की वक्रता और अ-समान पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण पर विचार करना होगा। यह उदाहरण के लिए अंतरिक्ष यान अंतरमहाद्वीपीय प्रक्षेप्य के स्थितियों में है। प्रक्षेपवक्र तब पृथ्वी के केंद्र पर फोकस के साथ परवलय से केप्लर-दीर्घवृत्त तक सामान्य होता है। प्रक्षेप्य गति तब केपलर के ग्रहों की गति के नियमों का पालन करती है।

प्रक्षेपवक्र के मापदंडों को ऊपर बताए गए समान गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के मूल्यों से अनुकूलित करना होगा। पृथ्वी की त्रिज्या को R और g को मानक सतह गुरुत्व के रूप में लिया जाता है। होने देना ${\tilde {v}}:=v/{\sqrt {Rg}}$ पहले लौकिक वेग के सापेक्ष प्रक्षेपण वेग।

प्रक्षेपण और प्रभाव के बीच की कुल सीमा d,

$d={\frac {v^{2}\sin(2\theta )}{g}}{\Big /}{\sqrt {1-\left(2-{\tilde {v}}^{2}\right){\tilde {v}}^{2}\cos ^{2}\theta }}$

इष्टतम प्रक्षेपण कोण के लिए प्रक्षेप्य की अधिकतम सीमा ($\theta ={\tfrac {1}{2}}\arccos \left({\tilde {v}}^{2}/(2-{\tilde {v}}^{2})\right)$),

$d_{\mathrm {max} }={\frac {v^{2}}{g}}{\big /}\left(1-{\tfrac {1}{2}}{\tilde {v}}^{2}\right)$ साथ $v<{\sqrt {Rg}}$, पहला लौकिक वेग

ग्रह की सतह के ऊपर प्रक्षेप्य की अधिकतम ऊंचाई,

$h={\frac {v^{2}\sin ^{2}\theta }{g}}{\Big /}\left(1-{\tilde {v}}^{2}+{\sqrt {1-\left(2-{\tilde {v}}^{2}\right){\tilde {v}}^{2}\cos ^{2}\theta }}\right)$

ऊर्ध्वाधर प्रक्षेपण के लिए प्रक्षेप्य की अधिकतम ऊंचाई ($\theta =90^{\circ }$),

$h_{\mathrm {max} }={\frac {v^{2}}{2g}}{\big /}\left(1-{\tfrac {1}{2}}{\tilde {v}}^{2}\right)$ साथ $v<{\sqrt {2Rg}}$, दूसरा लौकिक वेग

उड़ान का समय,

$t={\frac {2v\sin \theta }{g}}\cdot {\frac {1}{2-{\tilde {v}}^{2}}}\left(1+{\frac {1}{{\sqrt {2-{\tilde {v}}^{2}}}\,{\tilde {v}}\sin \theta }}\arcsin {\frac {{\sqrt {2-{\tilde {v}}^{2}}}\,{\tilde {v}}\sin \theta }{\sqrt {1-\left(2-{\tilde {v}}^{2}\right){\tilde {v}}^{2}\cos ^{2}\theta }}}\right)$

यह भी देखें

• गति के समीकरण

बाहरी कड़ियाँ

• प्रक्षेप्य गति के लिए कैलकुलेटर