Поезд дальнего следования, состоящий из локомотива и N вагонов, преодолевает прямолинейный участок железной дороги с постоянным ускорением. Стоящий у края этого участка наблюдатель заметил, что локомотив поезда проезжает мимо него за такое же время, за какое проезжают последние k вагонов. Во сколько раз увеличивается скорость поезда за время, в течение которого он проезжает мимо наблюдателя? Считать, что локомотив и вагоны одинаковы по своей длине и расположены вплотную друг за другом.

Question

Физика

Dalandis

6 год назад

Поезд дальнего следования, состоящий из локомотива и N вагонов, преодолевает прямолинейный участок железной дороги с постоянным ускорением. Стоящий у края этого участка наблюдатель заметил, что локомотив поезда проезжает мимо него за такое же время, за какое проезжают последние k вагонов. Во сколько раз увеличивается скорость поезда за время, в течение которого он проезжает мимо наблюдателя? Считать, что локомотив и вагоны одинаковы по своей длине и расположены вплотную друг за другом.

ОТВЕТЫ

Nashivkun

Jul 6, 2019

Обозначим:

$L$ – длина одного вагона или локомотива,

$v_o$ – скорость передней точки локомотива, когда он проезжает мимо,

$v_1$ – скорость поезда, когда локомотив только что проехал наблюдателя,

$v_k$ – скорость поезда, когда только k вагонов ещё не проехали мимо,

$v$ – скорость поезда, когда весь поезд проехал наблюдателя,

Будем измерять время от состояния $v_o \ .$

Пусть через время $\tau$ наступило состояние $v_1 \ .$

Пусть состояния $v_o$ и $v$ – отделаят промежуток времени $t \ .$

Состояния $v_k$ и $v$ – очевидно отделаят промежуток времени $\tau .$

Через средние скрости, ясно, что:

$\frac{ v_o + v_1 }{2} \tau = L \ ;$ [1]

$\frac{ v_k + v }{2} \tau = kL \ ;$ [2]

$\frac{ v_o + v }{2} t = (N+1)L \ ;$ [3]

Кроме того:

$v - v_k = a \tau = v_1 - v_o \ ;$

$v + v_o = v_1 + v_k \ ;$ [4]

Складывая [1] и [2], получаем:

$(k+1)L = \frac{ v_o + v_1 }{2} \tau + \frac{ v_k + v }{2} \tau = \frac{ v_o + v_1 + v_k + v }{2} \tau \ ;$

Учитывая [4], получаем:

$(k+1)L = ( v_o + v ) \tau \ ;$

$(N+1)L = \frac{ v_o + v }{2} t \ ;$

Разделим последние уравнения:

$\frac{N+1}{k+1} = \frac{t}{ 2 \tau } \ ;$

$t = \frac{N+1}{k+1} \cdot 2 \tau \ ;$ [5] – это всё время движения поезда мимо наблюдателя:

За это время скорость дорастает от значения $v_o$ до значения $v \ ,$ изменяясь на величину $( v - v_o ) \ .$

При том же ускорении за первый интервал $\tau$ скорость возрастёт только на величину:

$v_1 - v_o = \frac{ \tau }{ t } ( v - v_o ) \ ;$

$v_1 = v_o + \frac{ \tau }{ t } ( v - v_o ) \ ;$

Средняя скорость за время проезда локомотива:

$v_{cp} = \frac{ v_o + v_1 }{2} = v_o + \frac{ \tau }{ 2t } ( v - v_o ) \ ;$

$L = v_{cp} \tau = ( v_o + \frac{ \tau }{ 2t } ( v - v_o ) ) \tau \ ;$ [6]

Средняя скорость за время проезда всего поезда:

$V_{cp} = \frac{ v_o + v }{2} \ ;$

$(N+1)L = V_{cp} t = \frac{ v_o + v }{2} t \ ;$ [7]

Перемножим [6] и [7] крест-накрест:

$\frac{ v_o + v }{2} t = (N+1) ( v_o + \frac{ \tau }{ 2t } ( v - v_o ) ) \tau \ ;$

$( v_o + v ) \frac{t}{ \tau } = (N+1) ( 2 v_o + \frac{ \tau }{t} ( v - v_o ) ) \ ;$

С учётом [5] имеем:

$( v_o + v ) \frac{2}{k+1} = 2 v_o + \frac{k+1}{2(N+1)} ( v - v_o ) \ ;$

$\frac{2}{k+1} v - \frac{k+1}{2(N+1)} v = 2 v_o - \frac{k+1}{2(N+1)} v_o - \frac{2}{k+1} v_o \ ;$

$( \frac{2}{k+1} - \frac{k+1}{2(N+1)} ) v = ( \frac{2k}{k+1} - \frac{k+1}{2(N+1)} ) v_o \ ;$

$( \frac{4(N+1)}{(k+1)^2} - 1 ) v = ( \frac{4(N+1)k}{(k+1)^2} - 1 ) v_o \ ;$

$( \frac{4(N+1)}{(k+1)^2} - 1 ) v = ( \frac{4(N+1)k}{(k+1)^2} - k + k -1 ) v_o \ ;$

$( \frac{4(N+1)}{(k+1)^2} - 1 ) v = ( ( \frac{4(N+1)}{(k+1)^2} - 1 ) k + k -1 ) v_o \ ;$

ОТВЕТ:

$\frac{v}{v_o} = k + \frac{ k - 1 }{ \frac{4(N+1)}{(k+1)^2} - 1 } \ ;$

Например, при $N = 11$ и $k = 5 \ ,$ получаем:

$\frac{v}{v_o} = 5 + \frac{ 5 - 1 }{ \frac{4(11+1)}{(5+1)^2} - 1 } = 17 \ ;$

при $N = 14$ и $k = 5 \ ,$ получаем:

$\frac{v}{v_o} = 5 + \frac{ 5 - 1 }{ \frac{4(14+1)}{(5+1)^2} - 1 } = 11 \ ;$

при $N = 20$ и $k = 6 \ ,$ получаем:

$\frac{v}{v_o} = 6 + \frac{ 6 - 1 }{ \frac{4(20+1)}{(6+1)^2} - 1 } = 13 \ .$

173