46(1.41). Две моторные лодки, расположенные друг против друга на противоположных берегах прямолинейного участка шириной H = 200 м, совершают переправу так, что время переправы одной лодки и перемещение другой лодки за время ее переправы минимальны. Скорость v = 5 м/с каждой лодки относительно воды в n = 2 раза больше скорости течения. Найти минимальное расстояние между лодками и время T их движения для сближения на это расстояние, если лодки начинают переправу одновременно. Скорость течения и скорость движения каждой лодки в течение переправы считать постоянными.
Решение.
Рисунок 1:
v/ и v// это скорости лодок относительно воды, они имеют разные направления, но по модулю равны v. u это скорость течения реки.
Лодка, которая совершает переправу за минимальное время, имеет скорость относительно земли v1, а лодка, которая совершает переправу с минимальным перемещением имеет скорость v2.
Рассмотрим задачу в системе отсчета связанной со второй лодкой.
Рисунок 2:
x − минимальное расстояние между лодками
x = 199,887м
Ответ неправдоподобный, где я ошибся?
1 способ.
Свяжем систему отсчета с берегами.
Время t1 переправы первой лодки минимально, если вектор ее скорости относительно воды (в стоячей воде) v1 перпендикулярен вектору скорости течения u, ибо в этом случае энергия ее двигателя максимально расходуется на движение поперек реки. Отметим, что вектор скорости относительно берегов v1 + u с вектором v1 образует угол α, причем
Величина перемещения S2 второй лодки за время переправы минимальна и равна ширине реки H, если вектор ее скорости относительно воды v2 образует с направлением перемещения такой угол β, что вектор скорости относительно берегов v2 + u перпендикулярен вектору скорости u, ибо в этом случае нет перемещения вдоль берегов.
Пусть время t после начала счета времени лодки, находившиеся в начальный момент времени в точках A и B, переместились соответственно в точки C и D. Тогда с учетом того, что
имеем
По теореме косинусов (для треугольника ΔACD) в момент времени t квадрат расстояния между лодками
Расстояние
Тогда, с учетом того, что при l = lmin время t = T, имеем T = H/(2v) = 20 c.
2 способ.
Свяжем систему отсчета с одной из лодок.
Выберем, например, систему отсчета, связанную со второй лодкой. Если вторая лодка в точке B остается неподвижной, то взаимное расположение лодок с течением времени остается таким же, каким оно было при движении первой и второй лодок, если бы первой лодке дополнительно к ее скорости относительно берегов v1 + u сообщается скорость − (v2 + u). Тогда первая лодка относительно второй лодки имеет скорость
Расстояние между лодками l минимально в тот момент, когда первая лодка в ее относительном движении достигает точки F, которая является основанием перпендикуляра, опущенного из точки B расположения второй лодки на траекторию AF движения первой лодки. Так как ΔABF прямоугольный, а ΔAGK равнобедренный со сторонами v1 = v2, то минимальное расстояние
А время