В нескольких словах
Вирусная головоломка о прыжке с трамплина на движущемся авто вызвала бурные обсуждения в сети. Физики объяснили, куда упадет прыгун в зависимости от скорости и ускорения машины.
Правильно ли это с точки зрения физики?
Пользователь X @TheFigen_ 6 апреля задался вопросом: «Правильно ли это с точки зрения физики?». Головоломка была просмотрена более чем 50 миллионами пользователей, твит собрал более 13 000 ответов и почти полмиллиона лайков. На изображении представлены два кадра иллюстратора Ювала Робичека.
На первом кадре мужчина собирается прыгнуть с трамплина в бассейн, расположенный на крыше движущегося автомобиля. На втором кадре видно, как после прыжка главный герой отстает от машины и вот-вот упадет на дорогу.
Ответ на вопрос
Ответ на вопрос о том, что произойдет, если человек прыгнет с трамплина, который находится в бассейне на крыше фургона, зависит от условий. Прежде всего, от ветра и, главное, от ускорения или отсутствия ускорения у фургона. Ветром можно пренебречь, потому что на картинках нет огромного ветра, который мог бы повлиять. Важно то, движется ли фургон с постоянной скоростью или имеет ускорение.
Чтобы понять, что произойдет, начнем с предположения, что вместо прыжка с трамплина на крыше фургона, человек просто прыгает на крышу: прыжок вертикально вверх. Если фургон движется с постоянной скоростью, этот человек упадет в ту же точку. Человек получает импульс для прыжка по вертикали, а по горизонтали движется вместе с фургоном с постоянной скоростью. Тогда его общая скорость представляет собой вертикальную составляющую, с которой он начинает прыжок, плюс горизонтальную составляющую. Эта горизонтальная составляющая, если сопротивление воздуха пренебрежимо мало, останется постоянной. Меняется вертикальная, потому что под действием силы тяжести она немного поднимается, но вскоре начинает падать. Поскольку при падении он продолжает двигаться с той же горизонтальной скоростью, если фургон не изменил скорость, по горизонтали они переместились одинаково, поэтому он падает в ту же точку. То есть в бассейн.
Ускорение фургона
Представим тот же прыжок, но с фургоном, который ускоряется или замедляется. Когда человек падает, он имеет начальную скорость, скорость, которая была у фургона в момент прыжка. Но если в этот момент фургон ускорился, у него было время продвинуться дальше, чем у прыгнувшего человека, поэтому он упадет в другую точку бассейна или даже за пределы фургона, если ускорение было большим. И наоборот, если он замедляется, человек упадет дальше от точки, в которой прыгнул.
Прыжок с трамплина
Теперь внесем трамплин в уравнение. Сначала подумаем о прыжке с трамплина в обычном бассейне, который закреплен на земле. Когда человек прыгает с трамплина, он не делает это по вертикали, потому что если бы он это сделал, то упал бы на трамплин, а не в бассейн. Он должен иметь начальную скорость по вертикали, чтобы подняться, но также и по горизонтали, чтобы двигаться к бассейну. В физике это называется параболическим движением: когда единственная сила, влияющая на объект, — это сила тяжести, опять же потому, что мы учитываем пренебрежимо малое сопротивление воздуха. Движение снаряда по горизонтали имеет постоянную скорость, в то время как по вертикали скорость меняется из-за силы тяжести.
И наконец, мы дошли до прыжка с трамплина на крыше фургона. В этом случае сочетаются два момента. Человек прыгает с трамплина, и когда он отрывает ноги, у него будет определенная скорость по отношению к фургону, потому что в противном случае он упадет в ту же точку. Но если у фургона постоянная скорость, человек упадет так, как будто фургон все время стоял, потому что эту постоянную скорость по горизонтали имеет и прыгающий человек: скажем, они движутся вместе. Это связано с законами Ньютона, так как физика одинакова во всех системах отсчета, которые движутся друг относительно друга с постоянной скоростью. Но если фургон ускоряется, как мы видели ранее, он продвинется дальше, чем прыгающий человек, поэтому он может упасть на трамплин или даже за пределы фургона, если ускорение было очень сильным.
Поворот фургона
В рассматриваемой иллюстрации некоторые комментарии касаются того, находится ли фургон на повороте в момент прыжка. На повороте горизонтальная скорость фургона изменит направление, поэтому произойдет то, что прыгающий человек продвинется по начальной линии горизонтальной составляющей, но поскольку фургон поворачивает, когда он падает, фургона уже нет под ним, потому что человек последовал прямолинейной траектории, а фургон — нет. Они не двигались вместе в плоскости дороги. Так что и в этом случае он упадет за пределы фургона.
Автор: Прадо Мартин Моруно — доктор физики, исследователь и профессор кафедры теоретической физики Мадридского университета Комплутенсе.
Координация и редактирование: Виктория Торо.
Вопрос отправлен Анхелем Крусом.
Мы отвечаем — это еженедельный научный консультационный центр, спонсируемый программой L’Oréal-Unesco «Для женщин в науке» и Bristol Myers Squibb, который отвечает на вопросы читателей о науке и технологиях. Именно ученые и технологи, партнеры AMIT (Ассоциации женщин-исследователей и технологов), отвечают на эти вопросы. Отправляйте свои вопросы на или через X #nosotrasrespondemos.
