נתון: מגדל בגובה H. כדור A נזרק כלפי מטה במהירות , כדור B נזרק כלפי מעלה במהירות שגודלה
, כדור C משוחרר ממנוחה. הכיוון החיובי הוא כלפי מטה. החיכוך עם האוויר זניח (בסעיפים א-ד), כלומר הכוח היחיד הפועל על הכדורים הוא כוח הכובד, ו-
.
מהירות התחלתית: הגרף חותך את ציר המהירות ב-.
שיפוע: בוחרים שתי נקודות כלשהן על הקו, למשל ו-
. בשנייה אחת המהירות עלתה ב-10:
זה הגיוני: לגוף בנפילה חופשית יש תאוצה .
חיתוך עם ציר הזמן: המהירות מתאפסת ב-. זו הנקודה הגבוהה ביותר: המהירות עוברת מכלפי מעלה (שלילית) לכלפי מטה (חיובית), ולכן לרגע אחד היא חייבת להיות אפס.
מהירות מקסימלית: , ברגע הפגיעה בקרקע (
).
המהירות ההתחלתית בגרף שלילית: . הכיוון החיובי הוא כלפי מטה, ולכן מהירות שלילית פירושה תנועה כלפי מעלה. הכדור היחיד שנזרק כלפי מעלה הוא כדור B.
מכאן גם .
נפרק את התנועה של כדור B לשלבים:
מ-0 עד 0.5 שניות - הכדור עולה. השטח הוא משולש מתחת לציר:
השטח מ-1 עד 5 שניות הוא טרפז. שטח טרפז הוא הגובה כפול ממוצע הבסיסים:
גובה המגדל: .
טעות נפוצה: לחשב את המשולש מ-0.5 עד 5 שניות:
זה המרחק מהשיא של הכדור עד הקרקע, ולא גובה המגדל. ההפרש, , הוא בדיוק הגובה שהכדור עלה מעל המגדל.
אפשר גם לחשב את כל השטח מ-0 עד 5 שניות, בתנאי שהמשולש שמתחת לציר נספר כשלילי. אז שני המשולשים הקטנים מבטלים זה את זה, ומתקבלת אותה תשובה.
משוואות כדור A בצבע כחול, ומשוואות כדור B בצבע כתום.
כדור A נזרק כלפי מטה באותו גודל מהירות, ולכן הגרף שלו מתחיל ב-. יש לו אותו שיפוע (אותה תאוצה), כלומר הוא קו מקביל לגרף של B.
כדור B: השטח מ-0 עד 1 שנייה מתבטל (עלייה וירידה), ונשאר הטרפז מ-1 עד 2 שניות, בין המהירויות 5 ו-15:
$$\color[RGB]{232,130,58}{x_B=(2-1)\cdot\frac{5+15}{2}=10\text{m}}$$
כדור A: טרפז מ-0 עד 2 שניות, בין המהירויות 5 ו-25:
$$\color[RGB]{31,111,178}{x_A=2\cdot\frac{5+25}{2}=30\text{m}}$$
(אותו חישוב בדיוק נותנת נוסחת הקינמטיקה : הנוסחה הזו היא שטח הטרפז.)
$$\Delta x=\color[RGB]{31,111,178}{x_A}-\color[RGB]{232,130,58}{x_B}=30-10=20\text{m}$$
לשני הכדורים יש אותה תאוצה. התאוצה משנה את המיקום של כל כדור, אבל היא משנה את שניהם באותה מידה, ולכן היא לא משפיעה על ההפרש ביניהם. אפשר להתעלם ממנה.
בלי תאוצה, השאלה הופכת לפשוטה: כדור אחד נע במהירות 5 לכיוון אחד, והשני במהירות 5 לכיוון השני. כמו שתי רכבות שנוסעות בכיוונים הפוכים, המרחק ביניהם גדל ב-10 מטר בכל שנייה:
אותו דבר עם נוסחת המיקום:
$$\color[RGB]{31,111,178}{x_A=x_0+v_0t+\frac{1}{2}gt^2}$$ $$\color[RGB]{232,130,58}{x_B=x_0-v_0t+\frac{1}{2}gt^2}$$
בחיסור, ו-
מצטמצמים, ונשאר:
$$\Delta x=\color[RGB]{31,111,178}{x_A}-\color[RGB]{232,130,58}{x_B}=2v_0t$$
בגרף רואים את זה כך: ההפרש הוא השטח בין שני הקווים המקבילים. כל שנייה נוספת מוסיפה מקבילית שגובהה 10 ורוחבה 1, כלומר 10 מטר.
המרחק בין הכדורים: .
(1) שיפוע הגרף - התאוצה. כל שלושת הכדורים בנפילה חופשית, ולכל גוף בנפילה חופשית יש תאוצה , בין אם נזרק למעלה, למטה או שוחרר ממנוחה. המהירות משתנה, אבל קצב השינוי שלה זהה. זהה לשלושת הגרפים.
(2) נקודת החיתוך עם ציר המהירות - המהירות ההתחלתית: ל-A,
ל-B ו-0 ל-C. שונה.
(3) השטח בין הגרף לציר הזמן - ההעתק. כאן הניסוח של השאלה לא חד־משמעי, והנימוק חשוב יותר מהתשובה:
שטח במובן הגאומטרי הוא תמיד חיובי, ולכן התשובה הבטוחה היא שהשטחים לא זהים: לכדור B יש שטח נוסף שמתאר את העלייה והירידה. ההעתק עצמו (השטח עם סימן) זהה לכולם.
קודם, בלי חיכוך: כדור B נזרק למעלה במהירות 5, עולה, יורד, וחוזר לגובה ראש המגדל במהירות 5 כלפי מטה. מהרגע הזה הוא בדיוק במצב של כדור A ברגע הזריקה: אותו גובה, אותה מהירות כלפי מטה. לכן בלי חיכוך שניהם פוגעים בקרקע באותה מהירות (אבל בזמנים שונים).
עם חיכוך: החיכוך פועל נגד כיוון התנועה ומאט את כדור B גם בעלייה וגם בירידה. לכן כשכדור B חוזר לגובה ראש המגדל, המהירות שלו כבר קטנה מ-5.
מכאן והלאה שני הכדורים נופלים מאותו גובה, עם אותם כוחות (אותו משקל ואותו חיכוך). אבל כדור A מתחיל את הנפילה במהירות 5, וכדור B מתחיל אותה במהירות קטנה מ-5. מי שמתחיל במהירות קטנה יותר מסיים במהירות קטנה יותר.
גודל המהירות של כדור A ברגע הפגיעה בקרקע גדול מגודל המהירות של כדור B.
(אותה מסקנה מתקבלת משיקולי אנרגיה: לשני הכדורים אותה אנרגיה התחלתית, אבל כדור B עובר דרך ארוכה יותר, ולכן החיכוך מוציא ממנו יותר אנרגיה.)