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这篇《刻舟求鱼 (配图) 》出乎意料地引发了强烈 兴趣。问题是假定船受到的阻力与船的速度成正比 (f = -kv),船上的人从船尾跳到船头,船最终处于何处。我的证明如下。
人+船的动量变化等于外力的冲量,由于忽略了空气阻力,唯一的外力是水对船的阻力。
$\Delta p = -k \ v \ \Delta t = -k \ \Delta x" original="http://latex.codecogs.com/gif.latex?\Delta p = -k \ v \ \Delta t = -k \ \Delta x" style="word-wrap:break-word;max-width:620px;margin:0px;padding:0px;display:inline;$ 因此, $\Delta x = - \Delta p/k" original="http://latex.codecogs.com/gif.latex?\Delta x = - \Delta p/k" style="word-wrap:break-word;max-width:620px;margin:0px;padding:0px;display:inline;$
由于船+人最开始动量为零(静止),最终也是静止,动量也为零。动量变化为0,因此船的位移为零。
应行仁老师评论到:
【在岳的公式中,他说“由于船+人最开始动量为零(静止),最终也是静止,动量也为零。动量变化为0”, 这是指起跳前和落地后Δp =0,所以x是人船系统的质心。不是船的位置。如果有人用这公式考察人跳船后移和落船前行的动量,是否从动量相等得出船的两个位移相等?不能。细考如下,Δp1是船后移的动量,那Δx1 =- Δp1/k 是船后移的距离,人落到船上后,Δx2 =- Δp2/k ,虽然Δp1=Δp2,但是这时,Δx2是人与船的质心,所以虽然Δx1=Δx2,它们所指的位置不同,船的位置仍然不是到原位。】
我的回应如下:
上面计算中的 p 为人+船系统的总动量。根据牛顿定律,一个系统的动量的变化等于系统所受外力的冲量,这是因为内力产生的动量变化是互相抵消的。在这里,人+船为系统,由于忽略空气阻力,外力就是水对船的阻力 f 。
$dp = f \ dt$
注意,符号 p 代表的是人的动量+船的动量。到这一步应该没有疑问。
接下来我们代入 f 。它是船受到的阻力,等于一个常数乘以船的速度 $-k \ v_{b}$ 。
$v_{b}= \frac{d x_b}{dt}$
上面 x_b 是船的位置坐标。这一点应该没有问题。
因此,
$dp = -k \ \frac{d x_b}{dt} \ dt = -k \ dx_b$
两边积分,
$\Delta p = -k \ \Delta x_b$
从上面这个推导可以看出,左边是系统(人+船)总动量的变化,右边是船的位置变化(而不是系统质心位置的变化)。
黄兴滨博主说【一个简单的反例即可说明该方法的错误,如果人直接跳进水中,按博主的方法显然也有“人船系统初始与最终动量为零,动量变化为零,因此船的位置变化 Delta x 为零”的荒谬结论。】
这是不成立的。在我们上面的计算中只有水对船的阻力,水对人没有任何作用。如果人跳入水中,那么必须考虑水对人的作用。方程右边必须加上水对人的冲量。
12/22 补充:水的阻力与速度 关系,我今天翻出了 Landau & Lifshitz 第六卷。
朗道的物理是不错的。
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GMT+8, 2024-11-20 12:44
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