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A 0.311 kg tennis racket moves east at \( 30.3 \mathrm{~m} / \mathrm{s} \). A 0.0570 kg ball moves east at \( 19.2 \mathrm{~m} / \mathrm{s} \). If the racket and the ball have an elastic collision, what would the velocity of the racket be afterwards? \[ v_{1 f}=[?] \mathrm{m} / \mathrm{s} \] Remember East is positive ( + ) : west is negative ( - ).

Ask by Medina Kirk. in South Africa
Jan 22,2025

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After the collision, the racket moves east at approximately 26.9 m/s.

Solution

To determine the final velocity of the tennis racket (\( v_{1f} \)) after an elastic collision with the ball, we'll use the principles of **conservation of momentum** and **conservation of kinetic energy** applicable to elastic collisions. ### Given: - **Mass of the racket (\( m_1 \))**: 0.311 kg - **Initial velocity of the racket (\( v_{1i} \))**: +30.3 m/s (east) - **Mass of the ball (\( m_2 \))**: 0.0570 kg - **Initial velocity of the ball (\( v_{2i} \))**: +19.2 m/s (east) ### Formula for Final Velocities in Elastic Collisions: For two objects undergoing an elastic collision in one dimension, the final velocities (\( v_{1f} \) and \( v_{2f} \)) are given by: \[ v_{1f} = \frac{(m_1 - m_2)}{(m_1 + m_2)} v_{1i} + \frac{2m_2}{(m_1 + m_2)} v_{2i} \] \[ v_{2f} = \frac{2m_1}{(m_1 + m_2)} v_{1i} + \frac{(m_2 - m_1)}{(m_1 + m_2)} v_{2i} \] ### Calculating \( v_{1f} \): Plugging in the known values: \[ v_{1f} = \left( \frac{0.311 \, \text{kg} - 0.0570 \, \text{kg}}{0.311 \, \text{kg} + 0.0570 \, \text{kg}} \right) \times 30.3 \, \text{m/s} + \left( \frac{2 \times 0.0570 \, \text{kg}}{0.311 \, \text{kg} + 0.0570 \, \text{kg}} \right) \times 19.2 \, \text{m/s} \] \[ v_{1f} = \left( \frac{0.254 \, \text{kg}}{0.368 \, \text{kg}} \right) \times 30.3 \, \text{m/s} + \left( \frac{0.114 \, \text{kg}}{0.368 \, \text{kg}} \right) \times 19.2 \, \text{m/s} \] \[ v_{1f} \approx 0.69 \times 30.3 \, \text{m/s} + 0.31 \times 19.2 \, \text{m/s} \] \[ v_{1f} \approx 20.9 \, \text{m/s} + 5.95 \, \text{m/s} = 26.85 \, \text{m/s} \] ### Final Answer: \[ v_{1f} \approx 26.9 \, \mathrm{m/s} \, \text{(east)} \]

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The Deep Dive

To find the final velocity of the tennis racket after the elastic collision, we can use the conservation of momentum and the equations for elastic collisions. Let: - \( m_1 = 0.311 \, \text{kg} \) (mass of the racket) - \( v_{1i} = 30.3 \, \text{m/s} \) (initial velocity of the racket) - \( m_2 = 0.0570 \, \text{kg} \) (mass of the ball) - \( v_{2i} = 19.2 \, \text{m/s} \) (initial velocity of the ball) Using the conservation of momentum: \[ m_1 v_{1i} + m_2 v_{2i} = m_1 v_{1f} + m_2 v_{2f} \] And the formula for the final velocities after an elastic collision: \[ v_{1f} = \frac{(m_1 - m_2)v_{1i} + 2m_2 v_{2i}}{m_1 + m_2} \] Plug in the values: \[ v_{1f} = \frac{(0.311 - 0.0570)(30.3) + 2(0.0570)(19.2)}{0.311 + 0.0570} \] Calculating: 1. \( (0.311 - 0.0570)(30.3) = (0.254)(30.3) \approx 7.6942 \) 2. \( 2(0.0570)(19.2) = 2(1.0944) \approx 2.1888 \) 3. Total momentum for racket: \( 7.6942 + 2.1888 \approx 9.883 \) 4. Total mass: \( 0.311 + 0.0570 = 0.368 \) Now, divide the total momentum by the total mass: \[ v_{1f} \approx \frac{9.883}{0.368} \approx 26.9 \, \text{m/s} \] So, the final velocity of the racket is approximately: \[ v_{1 f} \approx 26.9 \, \mathrm{m/s} \]

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