Warum überquert ein Schwimmer ein Schwimmbecken in der gleichen Zeit wie einen fließenden Fluss?

Ihre Argumentation wäre richtig , wenn der Schwimmer im Fluss versuchen würde, den Punkt am Ufer gegenüber dem Ausgangspunkt zu erreichen. Dazu müssen sie schräg stromaufwärts schwimmen, also relativ zum Wasser eine längere Strecke zurücklegen, als der Fluss breit ist.

Aber um den Fluss in kürzester Zeit zu überqueren , sollte der Schwimmer in einer Richtung senkrecht zu den Ufern schwimmen. Der Fluss trägt sie ein Stück flussabwärts, aber sie müssen nur die Breite des Flusses relativ zum Wasser schwimmen – das ist der Referenzrahmen, in dem ihre Schwimmgeschwindigkeit gemessen wird. Sie bewegen sich also relativ zum Ufer zwar weiter , benötigen dafür aber nur die gleiche Zeit, als würden sie durch ein gleich breites Schwimmbecken schwimmen.

Wie gandalf61 erklärt hat, besteht eine Möglichkeit, dieses Problem zu betrachten, darin, dass der Stromfluss orthogonal zur beabsichtigten Fahrtrichtung betrachtet werden könnte. Bei einer solchen Aussicht besteht die Lösung mit minimaler Überquerungszeit darin, direkt senkrecht zur Strömung zu schwimmen und sich dabei von der Strömung flussabwärts treiben zu lassen.

Aber ich werde eine sicherlich umstrittene Behauptung aufstellen: Dies ist nicht wirklich die schnellste Art, einen Fluss zu schwimmen, und tatsächlich kann ein Fluss mit Strömung in kürzerer Zeit durchquert werden als ein Schwimmbecken gleicher Breite, vorausgesetzt etwas Spielraum bei der Definition von "Schwimmen" und etwas Großzügigkeit bezüglich der Machbarkeit der Idee.

Was du sagst? Wie ist das möglich?!

Hier ist eine weitere Physikfrage: Angenommen, es gibt einen Segelkurs auf offenem Wasser mit einem Start und einem Ziel, wobei das Ziel direkt vor dem Start liegt. Beim Startschuss wird ein Ballon losgelassen, der frei im Wind treibt. Kann ein Segelboot, das nur vom Wind angetrieben wird, vor dem Ballon ins Ziel kommen?

Die Antwort ist, kontraintuitiv, ja. Der Grund dafür ist, dass das Segelboot Auftrieb erzeugen kann und dem Wind effektiv Energie entzieht, was der Ballon nicht kann. Der schnellste Weg für das Segelboot besteht darin, nicht direkt vor dem Wind zu segeln, sondern tatsächlich in einem gewissen Winkel davon weg und dann regelmäßig zu wenden und einen Zick-Zack-Pfad zum Ziel zu nehmen.

Tatsächlich kann diese Technik sehr geschickt dazu verwendet werden, ein Fahrzeug zu konstruieren, das schneller als der Wind vor dem Wind fahren kann, indem die Segel in einen Propeller verwandelt werden. Ein solches Fahrzeug wird in diesem Veritasium-Video demonstriert . Vergleichen Sie die Richtung des Windsacks mit dem Streamer am Fahrzeug und Sie können sehen, dass das Fahrzeug tatsächlich schneller fährt als der Wind.

Wie gilt das nun für das Schwimmen über einen Fluss? In einem Kommentar verwies Chris H. auf Reaktionsfähren , die einen festen Haltegurt verwenden, um einen Fluss zu überqueren. Ihr Antrieb erfolgt nicht aus irgendeiner Kraftquelle, sondern durch die Beschleunigung der Flussströmung in Richtung Ufer mit dem Ruder, und die Reaktionskraft treibt die Fähre an.

Das brachte mich zum Nachdenken, gibt es eine Möglichkeit, wie ein Schwimmer die Flussströmung nutzen könnte, um Auftrieb zu erzeugen? Wenn ja, ist es möglich, dass das Überqueren eines Flusses schneller sein könnte als ein Schwimmbad gleicher Breite. Ich kann mir vorstellen, dass es viele mögliche Techniken geben könnte, und ich behaupte nicht, dass eine davon machbar ist, sondern nur, dass sie theoretisch möglich sind. Die Machbarkeit zu demonstrieren, muss einem besseren Schwimmer als mir überlassen werden.

Hier ist eine solche Technik: Denken Sie daran, dass eine Person, die einfach im Fluss schwimmt und nicht schwimmt, einer Person entspricht, die mit einer Brise in einem Schwimmbecken schwimmt. Wir wissen, dass Segelboote mit einer Brise ein Schwimmbecken überqueren könnten, und so könnte ein Schwimmer, wenn er ein Segel tragen darf, dem scheinbaren Wind durch einen ähnlichen Mechanismus eine gewisse Antriebskraft entziehen. Wenn diese Antriebskraft zusätzlich zur Kraft durch normales Schwimmen erreicht werden kann, führt das gleichzeitige Ausführen von beiden (Schwimmen und Segeln) dazu, dass der Fluss schneller überquert wird als das Schwimmbecken.

Wenn dem Schwimmer kein Segel erlaubt ist, können wir meiner Meinung nach immer noch nicht ausschließen, dass der eigene Körper des Schwimmers nicht so ausgerichtet werden könnte, dass ein ähnlicher aerodynamischer Vorteil erzielt wird. Ich bin etwas skeptisch gegenüber der Machbarkeit dieses Ansatzes, da ich vermute, dass die aerodynamischen Vorteile durch die Nachteile einer weniger effektiven Schwimmtechnik mehr als ausgeglichen würden, aber gleichzeitig kann ich mir keinen theoretischen Grund dafür vorstellen nicht möglich.

Wenn das zu weitreichend ist, hier ist eine andere Idee: Ein Schwimmer kann sicherlich die gleiche Reaktionskraft nutzen, die Reaktionsfähren antreibt, aber nur, bis sie beschleunigt wurden, um die Geschwindigkeit mit der Strömung zu erreichen. Eine Reaktionsfähre verwendet eine Leine, um dies zu verhindern, und ein Schwimmer hat keine solche Leine, aber das bedeutet nicht, dass die Strömung nutzlos ist, sondern nur, dass sie nur vorübergehend nützlich ist. Ich denke, mit ausreichender Übung sollte es möglich sein, in den ersten Sekunden nach dem Eintauchen in den Fluss ein wenig Auftrieb zu gewinnen, um dem Schwimmer im Schwimmbad einen anfänglichen Vorteil zu verschaffen. Nach dem Tauchgang würde der Flussschwimmer wie zuvor senkrecht zur Strömung schwimmen, aber dieser anfängliche Vorteil würde bedeuten, dass der Flussschwimmer zuerst ankommen würde.

In erster Näherung, nämlich wenn man den Fluss als Medium mit konstanter linearer Geschwindigkeit betrachtet, ist das eine vernünftige Annahme. Aber die Fließgeschwindigkeit von Flüssen ist nicht konstant: Sie ist in der Mitte höher als an den Ufern. Das verursacht zusätzliche Widerstands- und Bernoulli-Kräfte auf einen Körper, abhängig von seiner Form, Ausrichtung und Bewegung.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass Menschen in einem großen Fluss ertrinken und dutzende Kilometer flussabwärts gefunden werden. Ein Fluss, der sich als Block bewegen würde, wäre viel einfacher zu verlassen und würde Menschen an der ersten leichten Biegung anspülen.

Das kontraintuitive Ergebnis einfacher physikalischer Überlegungen hat also tatsächlich Probleme, der Realität zu entsprechen, wenn wir über Wasser sprechen, das sich mit ausreichend großer Geschwindigkeit bewegt.