Ein Freund bot mir eine Denksportaufgabe an, zu deren Lösung a gehört Pfundmann, der zwei jongliert -Pfund-Bälle, um eine Brücke mit einer maximalen Kapazität von nur zu überqueren Pfund. Er erklärte das, da der Mann immer nur einen hält -Pfund-Objekt auf einmal, das maximale kombinierte Gewicht zu einem bestimmten Zeitpunkt ist nur Pfund, und die Brücke würde halten.
Ich korrigierte ihn, indem ich erklärte, dass das Hochwerfen und Fangen des Balls Sie vorübergehend „schwerer“ macht (durch die Änderung des Impulses beim Hochwerfen oder Fangen wird eine zusätzliche Kraft vom Ball auf mich und von mir auf die Brücke ausgeübt). Ball), räumte aber ein, dass sanfte Würfe/Fänge (weniger Beschleunigung) eine Situation bieten könnten, in der die Kraft auf der Brücke niemals das kombinierte Gewicht des Mannes und beider Bälle erreicht.
Hält die Brücke dem Mann und seinen Eiern stand?
Angenommen, Sie werfen den Ball mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach oben . Dann ist die Zeit, die es in der Luft verbringt, einfach:
wo ist die Erdbeschleunigung. Wenn Sie den Ball fangen, haben Sie ihn eine Zeit lang in der Hand und während dieser Zeit müssen Sie genügend Beschleunigung darauf anwenden, um den Ball von seiner Abstiegsgeschwindigkeit zu verlangsamen nach unten und schleudert es mit einer Geschwindigkeit wieder nach oben nach oben:
Beachten Sie, dass ich die Beschleunigung als geschrieben habe da muss man mindestens eine beschleunigung von aufbringen um den Ball daran zu hindern, nach unten zu beschleunigen. Die Beschleunigung Sie müssen sich bewerben plus die zusätzliche Beschleunigung, um den Ball nach oben zu beschleunigen.
Sie möchten, dass die Zeit in der Hand so lang wie möglich ist, damit Sie so wenig Beschleunigung wie möglich verwenden können. Jedoch kann nicht größer sein als andernfalls würde es einige Zeit geben, während der Sie beide Bälle halten. Wenn Sie sicherstellen möchten, dass Sie immer nur einen Ball auf einmal halten, ist das Beste, was Sie tun können, zu machen = . Wenn wir die Ausdrücke für ersetzen und von oben und gleichsetzen erhalten wir:
was vereinfacht zu:
Während Sie also einen 3-kg-Ball halten, wenden Sie eine Beschleunigung von an dazu, und daher ist die Kraft, die Sie auf den Ball anwenden kg.
Mit anderen Worten, die Kraft auf der Brücke, wenn Sie die beiden Bälle jonglieren (mit der geringstmöglichen Kraft), ist genau die gleiche, als ob Sie gerade mit den beiden Bällen über die Brücke gehen würden, und Sie werden wahrscheinlich nass!
Ich liebe diese Problemklasse als fantastisches physikalisches Beispiel für den Mittelwertsatz . Erlauben Sie mir, einen konkreten Fall zu beschreiben, der die folgenden Bedingungen erfüllt:
Ausgehend von diesen relativ einfachen Annahmen werde ich behaupten, dass die durchschnittliche Normalkraft (die Kraft, die der Boden nach oben ausübt) gleich dem Gewicht des Systems ist. Mit anderen Worten, für einen bestimmten Zeitraum von Länge wir haben das:
Das ist eigentlich eine spektakuläre Behauptung. Um die Notation zu vereinfachen, bedenken Sie das entspricht genau dem Gewicht, das eine Waage ablesen würde (dies ist je nach Waage keine schlechte Annahme). Stellen Sie sich vor, der Mann jongliert, steht auf einer Waage und die Waage zeigt einen Wert an, der von der Zeit abhängt. . Der Durchschnittswert, den die Waage anzeigt, entspricht der Schwerkraft mal seiner Masse, einschließlich allem, was er hält oder trägt.
In der Geschichte von dem Mann, der über die Brücke geht und mit Bällen jongliert, ist das Gesamtgewicht . Für jede Sekunde, die er wiegt , verbringt er eine Sekunde mit dem Wiegen oder etwas ähnliches. Der Punkt ist, dass der Durchschnittswert gleich ist .
Legen Sie einen Ball ab. Gehen Sie mit dem anderen hinüber. Geh zurück, nimm den zweiten Ball.
Oder rollen Sie die beiden Bälle hinüber und rennen Sie ihnen dann nach.
Oder der Jongleur zieht seine Schuhe aus und geht barfuß darüber.
Dies wird als Problem des "nichtlinearen Denkens" gelöst, nicht mit "Jonglage ist Antigravitation". Das Ball-Man-System muss mit durchschnittlich 1 lb Kraft nach unten beschleunigt werden, sonst bricht die Brücke. Ansonsten könnte man aus zwei Jongleuren auf einer Wippe, die sich beim Jonglieren abwechseln, ein Perpetuum mobile bauen.
(Außerdem ist Laufen wie Jonglieren, da das Gewicht die meiste Zeit in der Luft ist – wenn das funktionieren könnte, könntest du auch einfach die Bälle halten und rennen.)
Stellen Sie sich der Einfachheit halber vor, dass sich der Jongleur irgendwann wiederholt, dh dass der Jongleur und Bälle (mit Massen und ) befinden sich zeitweise im genau gleichen kinematischen Zustand und .
Betrachten Sie Mensch + 2 Bälle als System und Brücke usw. als Umgebung.
Lassen sei (die vertikale Komponente von) dem Gesamtimpuls des Systems.
Das zweite auf das System angewendete Newtonsche Gesetz ergibt:
wo
und wo ist die Normalkraft von der Brücke, die zeitlich variieren kann wie der Jongleur seine Routine macht.
Aufgrund unserer vereinfachenden Annahme sich wiederholender Zustände haben wir
oder
Aber wenn der Durchschnitt ist , dann eindeutig mindestens einmal , muss man haben
Mit anderen Worten, die Brücke bricht zusammen.
Der Jongleur darf jede Bewegung machen, von der er glaubt, dass sie seinem Fall zugute kommt. Ob er mit beiden Beinen von der Brücke springen, seinen Schwerpunkt senken oder hinfallen will, bleibt ihm überlassen. Es erscheint physikalisch vernünftig anzunehmen, dass die Normalkraft ist eine stückweise stetige Funktion der Zeit , mit nur endlich vielen Unstetigkeitsstellen. In diesem Fall das Integral kann mit dem Riemann-Integral definiert werden, ohne das technisch kompliziertere Lebesgue-Integral einzubeziehen . (Beachten Sie auch, dass der Mittelwertsatz nicht für unstetige Funktionen gilt und aus mathematisch-puristischer Sicht der Mittelwertsatz nicht benötigt wird, dh die entscheidende Ungleichung (5) kann mit noch mehr Überlegungen aufgestellt werden elementar.)
Indirekter Beweis von Gl. (5): Angenommen
Dann
wenn wir stückweise Stetigkeit annehmen . Aber Gl. (7) stimmt nicht mit Gl. (3) überein. QED.
Es kommt darauf an, wie lang seine Arme sind!! (und wie lang die Brücke ist) Wenn er in der ersten Position beginnt, die Arme hochhält und beim Überqueren -0,17 G auf seine Bälle ausübt, wird er es schaffen. Hoppla. Ich habe in meinem Kommentar falsch gerechnet.
Außerdem kann er einen Gauklertrick machen und !allmählich seinen Schwerpunkt senken! als er über die Brücke geht. Das Jonglieren ist optional, eine Ablenkung von dem, was sie wirklich tun. Er muss nur bei G*(1/201) beschleunigen, damit die Brücke nicht 201 lbs (195+6), sondern 200 lbs trägt. Wenn er sich auf 2 Fuß ducken kann, habe ich 5 Sekunden, um die Brücke zu überqueren.
1/2 ( 0.16 ft / s^2 ) t^2 = 2 ft
t = sqrt[ 4ft/(0.16ft) sec^2 ]
Es hält es für vernünftig anzunehmen: "Das gesamte System (Mensch + Eier) beginnt im Ruhezustand und endet im Ruhezustand". Dann können wir ganz auf Integrale und den Umgang mit der Zeit verzichten. Betrachten wir für den Moment nur die Geschwindigkeit der Bälle und stellen Sie sich vor, seine Arme hätten unbegrenzte Länge. Wir können nur 5 Pfund Kraft pro Sekunde liefern => eine Beschleunigung von 5/3 g
, obwohl dies auf zwei Kugeln aufgeteilt werden kann. g
Die Kugeln erfahren jeweils oder 2g
insgesamt eine Beschleunigung nach unten . Daher beträgt die Gesamtbeschleunigung nach unten (möglicherweise aufgeteilt auf die beiden Kugeln) g/3, und wir können nicht damit enden, dass beide ruhen. Die einzige Möglichkeit, dass wir beide in Ruhe enden könnten, wäre, wenn wir 6 Pfund Gewicht statt 5 Pfund (d. h. das gleiche wie beim Tragen) dürfen.
Ich denke, es könnte möglich sein, wenn der Mann zuerst einen der Bälle in die Luft wirft, bevor er die Brücke betritt. In diesem Fall könnte der Mann zunächst 4 Pfund Kraft nach oben auf einen Ball ausüben und dann auf die Brücke treten. An diesem Punkt würde die Brücke 198 Pfund halten. Der Mann kann dann den anderen Ball mit 4 Pfund Kraft nach oben beschleunigen, bevor der andere Ball landet. Dies würde bedeuten, dass die Brücke an diesem Punkt 199 Pfund halten würde. Wenn beide Bälle in der Luft sind, würde die Brücke 195 Pfund halten. Dann würde der erste Ball in der Hand des Mannes landen, und der Mann müsste 4 Pfund Kraft aufwenden, um ihn bis zur Ruhe abzubremsen. Während der Verzögerung würde die Brücke 199 Pfund halten. Nach dem Abbremsen würde die Brücke 198 Pfund halten.
Dies ist möglicherweise auch möglich, wenn die Bälle ein großes Volumen haben und Sie den Luftwiderstand gezählt haben. In diesem Fall würde die Luft helfen, die Bälle beim Herunterfallen abzubremsen, aber der Mann müsste immer noch einen der Bälle in den Ball werfen Luft, bevor er die Brücke betrat.
Objektiv lösen.
Da das Jongleur-Ball-System von 201 Pfund Kraft heruntergezogen wird. Es müssen mindestens 201 Pfund Kraft nach oben wirken. Andernfalls würde der Massenmittelpunkt des Systems nach unten beschleunigt.
Das Werfen des Balls würde keine Nettokraft auf das System ausüben. Und das einzige, was ich sehe, das eine nennenswerte Kraft nach oben auf das System ausüben kann, ist die Brücke.
Also ... ich sage, es ist ein Nein, wenn nicht für die kreativen Wege, wie sie in einer anderen Antwort erwähnt werden.
Steve Mucci