Một con tàu chuyển động từ bờ bên này sang bờ bên kia của một dòng sông với vận tốc riêng không đổi. Giả sử vận tốc dòng nước là không đổi và đáng kể, các yếu tố bên ngoài khác không ảnh hưởng đến vận tốc thực tế của tàu. Nếu không quan tâm đến điểm đến thì cần giữ lái cho tàu tạo với bờ sông một góc bao nhiêu để tàu sang bờ bên kia được nhanh nhất?
Hãy nhập câu hỏi của bạn vào đây, nếu là tài khoản VIP, bạn sẽ được ưu tiên trả lời.
Coi hai bờ sông lần lượt là đường thẳng \({d_1},{d_2}.\) Giả sử tàu 1 xuất phát từ A hướng về hạ lưu và tàu 2 xuất phát từ B hướng về thượng nguồn như hình vẽ.
Ta sử dụng các vecto \(\overrightarrow v ,\overrightarrow {{v_1}} ,\overrightarrow {{v_2}} \) để biểu diễn cho vận tốc của dòng nước, vận tốc riêng của tàu 1 và tàu 2.
Lấy các điểm K, M sao cho \(\overrightarrow {BK} = \overrightarrow {{v_2}} ,\overrightarrow {AM} = \overrightarrow {{v_1}} .\) Từ giả thiết suy ra tứ giác ABKM là một hình thang cân.
Lấy các điểm L, N sao cho \(\overrightarrow {KL} = \overrightarrow v = \overrightarrow {MN} \). Khi đó K, L, M, N cùng nằm trên một đường thẳng song song với \({d_1},{d_2}\) và các vecto \(\overrightarrow {AN} = \overrightarrow {{v_1}} + \overrightarrow v ,\overrightarrow {BL} = \overrightarrow {{v_2}} + \overrightarrow v \) tương ứng biểu diễn cho vận tốc thực của tàu 1 và tàu 2.
Khi đó tàu 1 chuyển động theo hướng \(\overrightarrow {AN} \) đến đích là điểm D. Tàu 2 theo hướng \(\overrightarrow {BL} \) đến đích là điểm C.
Do các đường thẳng KL, MN, \({d_1},{d_2}\) đôi một song song nên theo định lí Ta-lét ta có: \(\frac{{AD}}{{AN}} = \frac{{BC}}{{BL}} = k\).
Trong đó AD, AN là quãng đường đi và độ lớn vận tốc của tàu 1 còn BC, BL là quãng đường đi và độ lớn vận tốc của tàu 2.
Như vậy hai tàu cần thời gian như nhau để sang bờ bên kia.
Vậy hai tàu sang đến bờ bên kia cùng một lúc.
Để xác định quãng đường thuyền bị nước cuốn đi khi đang ngang qua sông, ta có thể sử dụng định luật Pythagoras và tỉ lệ của vận tốc dòng nước.
Gọi x là khoảng cách từ thuyền đến bờ sông. Vận tốc của dòng nước tại khoảng cách x từ bờ sông là v(x) = v0 + (v1 - v0) * (x / c), với v1 là vận tốc của dòng nước tại bờ sông và c là bề rộng của sông.
Vận tốc của thuyền là u, luôn vuông góc với vận tốc chảy của dòng nước. Do đó, vận tốc tương đối của thuyền so với dòng nước là v(x) - u.
Áp dụng định luật Pythagoras, ta có: (v(x) - u)^2 = v0^2 + u^2
Giải phương trình trên để tìm x, ta có: (v0 + (v1 - v0) * (x / c) - u)^2 = v0^2 + u^2 (v1 - v0) * (x / c) = sqrt(v0^2 + u^2) - v0 x = (sqrt(v0^2 + u^2) - v0) * (c / (v1 - v0))
Gọi: vận tốc thực tế của tàu là \(\overrightarrow v \)
Vận tốc riêng của tàu (đối với dòng nước) là \(\overrightarrow {{v_t}} \)
Vận tốc của dòng nước (đối với bờ) là \(\overrightarrow {{v_n}} \)
Ta có: \(\overrightarrow v = \overrightarrow {{v_n}} + \overrightarrow {{v_t}} \)
Để tàu sang bờ bên kia nhanh nhất thì vận tốc thực tế của tàu có hướng vuông góc với bờ.
Theo quy tắc hình bình hành thì \(\overrightarrow v \) là vecto đường chéo xuất phát từ gốc chung của vecto vận tốc riêng của tàu và vecto vận tốc dòng nước tác động lên tàu.