3.小船渡河问题

一条宽度为L的河,水流速度为Vs,已知船在静水中的航速为Vc,船过河时,船的实际运动(即相对于河岸的运动)可以看成是随水以速度Vs漂流的运动和以Vc相对于静水的划行运动的合运动。随水漂流和划行这两个分运动互不干扰而具有等时性。

(1)怎样渡河时间最短?

如图2-甲所示,设船头斜向上游与河岸成任意角θ,这时船速在垂直于河岸方向的速度分量V1=Vcsinθ,渡河所需时间为:

可以看出:L、Vc一定时,t随sinθ增大而减小;当θ=900时,sinθ=1,所以,当船头与河岸垂直时,渡河时间最短,.

(2)若Vs<Vc,怎样渡河位移最小?

如图2-乙所示,渡河的最小位移即河的宽度。为了使渡河位移等于L,必须使船的合速度V的方向与河岸垂直。这是船头应指向河的上游,并与河岸成一定的角度θ。根据三角函数关系有:Vccosθ─Vs=0.

所以θ=arccos(Vs/Vc),因为0≤cosθ≤1,所以只有在Vc>Vs时,船才有可能垂直于河岸横渡。

(3)若Vs>Vc,怎样渡河位移最短?

如果水流速度大于船在静水中的航行速度,则不论船的航向如何,总是被水冲向下游。怎样才能使船的位移最短呢?如图2-丙所示,设船头Vc与河岸成θ角,合速度V与河岸成α角。可以看出:α角越大,船的位移越短,那么,在什么条件下α角最大呢?以Vs的矢尖为圆心,以Vc为半径画圆,当v与圆相切时,α角最大,根据cosθ=Vc/Vs,船头与河岸的夹角应为:θ=arccos(Vc/Vs)

此时渡河的最短位移为:

思考:过河的最短时间和最短位移分别决定于什么?

例5  河宽d=100m ,水流速度为v1=4m/s,船在静水中的速度是v2=3m/s,求:

⑴ 欲使船渡河时间最短,船应怎样渡河?最短时间是多少?船经过的位移是多大?

⑵ 欲使船航行距离最短,船应怎样渡河?渡河时间多长?

解析: 设想水不流动,则船将以v1速度做匀速直线运动,设想船不开行,则船将以v2速度顺水飘流,可见实际渡河时,渡船同时参与两个分运动,其合运动沿v1与 v2矢量和的方向做匀速直线运动,由于分运动与合运动的等时性,船渡河时间等于v1分运动的时间。

⑴ 不论v1与v2的大小如何,船头v1的方向垂直指向河岸时,时间最短,

⑵ 因船速小于水速,故小船不能垂直过河,但有无最短航程呢?

虽然不能垂直过河,但有最短的路程,用画圆的方法可找出最短船程时夹角θ,并可找到这时速度之间关系满足的特征,如图。

则sinθ=v1/v2

S=d/sinθ  , t=s/v合=d/(sinθ)

点评

⑴ 不论v1与v2的大小如何,当船头v1的方向垂直指向河岸时,时间最短,且最短时间为 。

⑵ 当 时,合速度垂直过岸,航程最短为d  ,当 时不能垂直过岸,但仍有最短路程,此时船的实际航向与下游夹θ角,且sinθ=v1/v2 。

 0  303024  303032  303038  303042  303048  303050  303054  303060  303062  303068  303074  303078  303080  303084  303090  303092  303098  303102  303104  303108  303110  303114  303116  303118  303119  303120  303122  303123  303124  303126  303128  303132  303134  303138  303140  303144  303150  303152  303158  303162  303164  303168  303174  303180  303182  303188  303192  303194  303200  303204  303210  303218  447090 

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