原文刪光光。
加不加速不重要,跳不跳鋼管舞也不重要。這個問題裡面唯一可能出現的
外力是空氣阻力;若假設阻力可以忽略不計,答案就一樣。
設氣球質量 M,人質量 m;人的初始高度 h,氣球的初始高度 H, H >= h。
人與氣球的初始速度和加速度都是零。
首先來分析一下氣球與人的受力。
人受兩個力:重量,和人與繩子之間的摩擦力。
氣球受三個力:重量,繩子張力,和浮力。
其中張力與摩擦力大小相等,方向相反,而且是唯一受人控制的力。
其餘的重量與浮力都是常數。
人在某個 t > 0 的時間開始往下爬。我在這裡只分析其中一小步。
首先,人的手臂稍微放鬆不要拉得那麼用力,於是重力開始把身體往下拉。
這也代表人手和繩子之間的靜摩擦力變小。
等身體下降一小段距離之後,人的手臂又用力把身體停住。在這一段時間,
摩擦力會變得比原本還大。
因為摩擦力的大小等於張力,所以繩子把人這邊的受力完整傳到氣球上。
令 f(t) 為人所受的合力,則 -f(t) 為氣球所受的合力。
從合力可以得到加速度,積分兩次就是位移。
令 U(t) = 積分 f(t') 由 t' = 0 至 t' = t
L(t) = 積分 U(t') 由 t' = 0 至 t' = t
則 人的高度 z(t) = h + L(t)/m
氣球的高度 z'(t) = H - L(t)/M
質心位置為 [m z(t) + M z'(t)]/(M + m) = (MH + mh)/(M + m)
以上分析可以帶入各種不同的動作。人可以往上爬,可以放手自由落體,
可以跳鋼管舞……
f(t) 會是不一樣的函數,但是當人走了 L/m 的時候,氣球一定會往相
反方向走 L/M,不多不少。
所以大家在做這題的時候,一開始用質心位置不變這個條件就好了。考慮
f(t) 的形狀,然後還積分兩次,這些其實都是做白工...
如果我們真的放個氣球到天上,找個人從上面爬下來,結果會怎樣?
當然空氣阻力會改變結果。最極端的例子,繩子只是掛在那裏做個樣子,
然後人背著降落傘跳下來。人很快會達到終端速度,而氣球可能還在加速
爬升。
還有另一個不明顯的效應是,氣球遭空氣阻力擠壓變型體積縮小,所以
浮力會小一點。
因為空氣阻力對速度很敏感,所以人爬得越慢,結果會越接近這個題目的
理想答案。
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原題目是問「繩子要多長,人才可以安全著陸」。
把「安全著陸」解釋為「不能從太高的地方自由落體」,則繩子長度必須
大約夠得著地面。
你說你從兩三公尺高摔下來也摔不壞?假設氣球原本的高度有上百公尺,
不必計較最後那百分之幾啦。
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好啦,少說一個效應,氣球升上去的時候浮力也會變小 = =
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