Физика · 2024/25 · Заключительный этап

Лодка и постоянный ветер: конфликт данных

Условие

Моторная лодка ехала к острову, расположенному, на расстоянии к югу l=4 кмl=4\text{ км} и к востоку на L=3,5 кмL=3{,}5\text{ км} (смотрите рисунок). Маршрут состоял из трёх прямых линий. Сначала на восток, потом на юго-восток, а затем на юго-запад. Скорость и направление ветра измерялись на лодке. Время, затраченное на проезд первого участка, было t1=3 минt_1=3\text{ мин}, измеренная скорость ветра v1=15 м/сv_1=15\text{ м/с}. Второй участок был пройден за время t2=1,5 минt_2=1{,}5\text{ мин}, а скорость ветра v2=10 м/сv_2=10\text{ м/с}. Третий участок был пройден за время t3=1,5 минt_3=1{,}5\text{ мин}, скорость ветра v3=5 м/сv_3=5\text{ м/с}. Какова была средняя скорость ветра? Примечание. На разных участках скорость лодки могла быть разной, но в течение одного участка скорость постоянная. Время, необходимое для поворота и ускорения, незначительно. Фактическая скорость и направление ветра не изменились.

К условию
СтартОстров123l = 4 кмL = 3,5 кмВосток →Юг ↓
Схематический маршрут относительно земли. Направления и суммарные смещения заданы; длины отдельных участков рисунок не определяет.
О задаче · 8 класс · баллы не подтверждены
Олимпиада
Бельчонок
Предмет / класс
Физика · 8 класс
Сезон / этап
2024/25 · Заключительный этап
Комплект
Вариант 1 · задача 3
Официальные баллыНе подтверждены
Сложность Popov Academy5/5 · предварительно

Для подготовки: 8 класс.

Записать идею

Личный черновик для заметок и расчётов. Он никуда не отправляется и не проверяется.

Подсказка 1

Показания на лодке — скорость воздуха относительно движущейся лодки.

Подсказка 2

Оба последних участка длятся по 90 секунд. Для движения точно на юго-восток или юго-запад южное смещение равно по длине восточному или западному. Сравните эти два участка.

Разобрать решение по шагам
01

Разложим смещение на юг

Первый участок направлен на восток и южного смещения не даёт. Пусть на втором участке лодка сместилась к югу на aa метров, а на третьем — на bb метров. Тогда a+b=4000a+b=4000. Направления юго-восток и юго-запад идут под углом 45∘45^\circ: во втором участке лодка также сместилась на aa метров к востоку, а в третьем — на bb метров к западу.

02

Сравним два движения из одной точки

Мысленно поставим в одну точку OO две лодки. Первая 9090 секунд движется точно как на втором участке исходного маршрута, вторая — как на третьем. Обозначим их конечные положения AA и BB. Точка AA находится на aa метров восточнее OO, а BB — на bb метров западнее. По горизонтали между ними a+b=4000 мa+b=4000\text{ м}. Расстояние по прямой не меньше горизонтального промежутка, поэтому AB≥4000 мAB\ge4000\text{ м}.

К этому шагу
OABЮВ · 90 сЮЗ · 90 сababПо горизонтали: a + b = 4000 м
Две копии участка перенесены к общему началу. Это сравнение перемещений за одинаковые 90 секунд; оно не добавляет данных о скорости исходной лодки.
03

Показания ветра дают слишком малое расстояние

Теперь мысленно выпустим из той же точки OO маленькую частицу воздуха. При неизменном ветре через 9090 секунд она окажется в некоторой точке CC. Относительно первой лодки воздух всё время движется со скоростью 10 м/с10\text{ м/с}, поэтому AC=10⋅90=900 мAC=10\cdot90=900\text{ м}. Для второй лодки так же BC=5⋅90=450 мBC=5\cdot90=450\text{ м}. Путь из AA в BB через CC не короче прямого:

AB≤AC+CB=900+450=1350 м.AB\le AC+CB=900+450=1350\text{ м}.

Это противоречит найденному AB≥4000 мAB\ge4000\text{ м}.

К этому шагу
AB900 м450 мОбщей точки C нетAB ≥ 4000 м, но 900 + 450 = 1350 м
Для наглядности лодки показаны на минимальном расстоянии 4000 м. Точка C должна одновременно находиться в 900 м от A и 450 м от B; это невозможно. При большем AB области ещё дальше.
04

Что именно не согласуется в условии

При наземных направлениях восток, юго-восток и юго-запад постоянного ветра с указанными показаниями не существует. Противоречие уже возникает на последних двух участках: проверять первый участок не требуется. Официальное решение получает 8,6 м/с8{,}6\text{ м/с}, направляя измеренные относительные скорости вдоль наземного маршрута. Условие не даёт оснований отождествлять эти направления. Нужна корректировка данных или явно другая трактовка направлений.

Ответ

При буквальном прочтении маршрута относительно земли данные несовместны; скорость постоянного ветра определить невозможно.

Главная идея

При постоянном ветре можно сравнить два равных по времени движения из общего начала. Геометрия маршрута и показания относительной скорости должны давать совместимые расстояния.

Как заметить эту идею в другой задаче

Даны направления движения и скорости относительно движущегося наблюдателя. Сравните одинаковые интервалы времени и проверьте, можно ли построить соответствующий треугольник перемещений.

Возможная ошибка

Принять направление ветра относительно лодки за направление самой лодки и сложить измеренные скорости вдоль её наземного маршрута.

Источник и примечания

Официальный источник

PDF организатора · страницы 21 · задача 3 ↗

Бельчонок · 2024/25 · физика · 8 класс · заключительный этап · вариант 1.

Официальное решение · страницы 21, 22 ↗

Авторский разбор Popov Academy.

Можете объяснить решение своими словами?

Учебная схема