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如果一个人在小船上从船尾跳到船头,小船会怎么运动?这是我上中学时遇到的一个问题。当时我经过计算证实了一个令人惊奇的现象,至今记忆尤新。
设人跳起水平动量为 P,则船后退的动量为 -P,船后退过程中受到水的阻力,动量减少,人着船后,船往前走,最终船在水的阻力下停下。
水的阻力 f 与速度 v 成正比,也就是 f = -kv,k 为常数。根据牛顿第二定律, dp/dt = f ,我们有所谓动量的变化等于冲量
$\Delta p = f\Delta t$
即使力变化,这个关系对时间差小的时候是准确的。 另外,人-船 之间是内力, 不出现。 代入外力 f = - kv , v 为船的速度
$\Delta p = -k \ v \ \Delta t = -k \ \Delta x$
x 为船移动方向的坐标,有趣的是,时间没有显现出来了。
因此,
$\Delta x = - \Delta p/k$
由于船+人最开始动量为零(静止),最终动量也为零,动量变化为0。 $\Delta p =0$ .
因此, $\Delta x=0$ .
也就是说,船会准确地回到原处 --- 只要 k 不等于 0.
(如果 k 精确为0,上面方程 无解,但是那是一个初中物理 问题)
注:有的读者可能没看明白,如果水的阻力为零,人从船尾跳到或走到船头,船是会动的--不动的是质心。这是初中物理。
现在我们是讲高一物理,考虑水的阻力的结果是,船不动---换言之 ,人+船质心动了。
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GMT+8, 2024-11-20 12:36
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