Задачка С.Капицы про космонавта в новом варианте

[Toolt]

Задача №5 (Нумерация моя, т.к. продолжаю серию. По мотивам известной задачи С.Капицы о космонавте, находящемся за бортом космического корабля, и у которого порвался страховочный фал).

Находясь внутри звездолета (или пусть это будет орбитальная станция?) и перемещаясь из одного помещения звездолета в другое, космонавт беспомощно завис в центре большого помещения звездолета и не может достичь ни одной из его стен (это произошло в результате кратковременного маневра звездолета, в результате которого скорости звездолета и космонавта случайно сравнялись по модулю и направлению, вот такой вот редчайший случай). Размер помещения 20 метров во всех направлениях.
Подскажите космонавту различные способы, как ему добраться до какой-либо из стен, и по возможности (используя общеизвестные данные) примерно оцените время, за которое он сумеет это сделать, и приведите примерный алгоритм расчета (с необходимыми формулами).
Примечание: у космонавта при себе нет никаких предметов (в том числе никаких элементов одежды, скафандра, инструментов и т.д., то есть вообще ничего), которые он мог бы отбросить в сторону.

Что можно сказать о задачке?
По-моему, такой еще не было, и заставит школьника напрячь мозги, не правда ли? Если смущает последнее примечание (отсутствие одежды на космонавте), ну пусть на нем будет неснимаемый облегающий костюм. Кстати, по моим прикидкам достичь стены можно разными способами примерно за час, так что оказывается совсем не безнадежная ситуация.
(Учитывая отсутствие численных исходных данных, точный численный результат не требуется, но кое-какие численные исходные данные школьнику известны из личного опыта и т.д., поэтому порядок цифр получить можно, а 20 минут получится, 1 час или 5 часов - неважно).

Заголовок скорректирован // photon

[wrest]

Toolt
Ну дык: дуть со всей мочи. Только чтоб импульс через центр тяжести проходил, а то закручивать будет. Один вдох считаем за три-четыре литра. Четыое грамма за один выдох. Скорость выдоха надо прикинуть (и еще способ как её максимально поднять: руки в виде сопла складывать что ли).

[lel0lel]

Сначала надо попробовать стать воздухоплавателем.

[Toolt]

wrest: Скорость выдоха примерно 10 м в сек (если 3 литра воздуха за 3 секунды через 1 кв см). То есть скорость человека весом 70 кг будет примерно 1,5 м в час за 1 выдох. А следующий выдох добавит скорости.

-- 21.02.2019, 01:21 --

lel0lel: Ну да, это точно. А вот как оценить скорость? Тут у же не реактивное движение, не импульс.

[wrest]

Toolt в сообщении #1377428 писал(а):

А следующий выдох добавит скорости.

Ну вот, осталось добавить медицину (как и сколько можно дуть чтоб сознания не лишиться).

[Toolt]

wrest в сообщении #1377431 писал(а):

Toolt в сообщении #1377428 писал(а):

А следующий выдох добавит скорости.

Ну вот, осталось добавить медицину (как и сколько можно дуть чтоб сознания не лишиться).

Ну так три раза дунул - и плыви спокойно: за час до стены доплывешь. А можно еще и вдох посильнее делать, повернув рот строго в направлении движения. Пусть не так эффективно как дуть, но движение будет. Кстати, для школьников: а как объяснить движение навстречу вдоху. Боюсь, что многие объяснят что-нибудь типа "реактивное движение наоборот" или типа: "всасываю воздух, вот он и подтягивает как кисель"... Так что в этой задачке много чего еще есть...

[lel0lel]

Как же не импульс, а за счёт чего мы в воде плаваем? Космонавт может не быстро поджимать ноги, а потом их резко распрямлять. Так он толкает примерно литров 6-8 со скоростью распрямления ног.

[Munin]

Toolt в сообщении #1377434 писал(а):

Кстати, для школьников: а как объяснить движение навстречу вдоху.

Это далеко не для школьников.

Фейнман. Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!

Цитата:

В одной книжке по гидродинамике была задача, обсуждавшаяся тогда всеми студентами-физиками. Задача такая. Имеется S-образный разбрызгиватель для лужаек - S-образная труба на оси; вода бьет струей под прямым углом к оси и заставляет трубу вращаться в определенном направлении. Каждый знает, куда она вертится - трубка убегает от уходящей воды. Вопрос стоит так: пусть у вас есть озеро или плавательный бассейн - большой запас воды, вы помещаете разбрызгиватель целиком под воду и начинаете всасывать воду вместо того, чтобы разбрызгивать ее струей. В каком направлении будет поворачиваться трубка?
      На первый взгляд, ответ совершенно ясен. Беда состоит в том, что для одного было совершенно ясно, что ответ таков, а для Другого - что все наоборот. Задачу все обсуждали. Я помню, как на одном семинаре или чаепитии кто-то подошел к профессору Джону Уилеру и сказал: "А Вы как думаете, как она будет крутиться?"
      Уилер ответил: "Вчера Фейнман убедил меня, что она пойдет назад. Сегодня он столь же хорошо убедил меня, что она будет вращаться вперед. Я не знаю, в чем он убедит меня завтра!"

[Geen]

Munin в сообщении #1377439 писал(а):

Я не знаю, в чем он убедит меня завтра!

Очевидно - что трубка вращаться не будет

[Toolt]

lel0lel в сообщении #1377438 писал(а):

Как же не импульс, а за счёт чего мы в воде плаваем? Космонавт может не быстро поджимать ноги, а потом их резко распрямлять. Так он толкает примерно литров 6-8 со скоростью распрямления ног.

То ли 6, то ли 8, то ли 1 литр, зависит от многих причин, это уже аэродинамика. Кроме того, описанный вами метод будет работать, но мне думается не потому что "медленно поджимать" и "быстро отталкиваться", а потому что отталкиваться ступней, а поджимать уже более обтекаемую фигуру. Точно также "воздухоплавание" с помощью рук. При этом рассчитать скорость движения наверное невозможно даже зная некоторые исходные данные (площадь ладоней-предплечья и ступней, плотность воздуха и проч.).
А вот, если сообразительный школьник предложит решить эту проблему простым методом аналогии. Он знает, что в воде неторопливый пловец движется 0,5 м в секунду. И еще он знает (начитанный), что есть некие формулы, по которым можно рассчитать силу сопротивления при движении в разных средах (и возможность "отталкивания" от этих сред), и что там все завязано на плотности, причем зависимость прямо пропорциональная. И тогда, если плотность воздуха примерно в 1000 раз меньше плотности воды, то и скорость у "воздухоплавателя" при одинаковой манере "плавания" будет в 1000 раз меньше. (Соответственно, "воздухоплаватель", "гребя" руками и "отталкиваясь" ногами, "доплывет" до стенки за те же 1-3 часа). Вот такое "решение" можно зачесть, как один из правильных ответов?

[DimaM]

Toolt в сообщении #1377498 писал(а):

Кроме того, описанный вами метод будет работать, но мне думается не потому что "медленно поджимать" и "быстро отталкиваться", а потому что отталкиваться ступней, а поджимать уже более обтекаемую фигуру.

По-моему, оба эффекта будут. Поскольку сила пропорциональна квадрату скорости, передаваемый импульс получается пропорционален скорости.

[Toolt]

DimaM в сообщении #1377504 писал(а):

Toolt в сообщении #1377498 писал(а):

Кроме того, описанный вами метод будет работать, но мне думается не потому что "медленно поджимать" и "быстро отталкиваться", а потому что отталкиваться ступней, а поджимать уже более обтекаемую фигуру.

По-моему, оба эффекта будут. Поскольку сила пропорциональна квадрату скорости, передаваемый импульс получается пропорционален скорости.

А, да, действительно. То есть, если "отталкиваться" с высокой скоростью, то сопротивление среды возрастает пропорционально квадрату этой скорости и соответственно и "толчок" получается более эффективным, чем при медленном возвратном движении. Поэтому тело движется вперед.

[Toolt]

Munin в сообщении #1377439 писал(а):

Toolt в сообщении #1377434 писал(а):

Кстати, для школьников: а как объяснить движение навстречу вдоху.

Это далеко не для школьников.
[list]Фейнман. Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!

Вот, оказывается, это вопрос даже для физиков. Надо же. Прочитал про эксперимент Фейнмана. Правда в его эксперименте мне почему-то сразу было ясно, что вращаться не будет (особенно, когда экспериментаторы вместо "всасывания" воды, стали вгонять в трубки воду под давлением).
А вот с воздухом ситуация, как мне думается, совершенно другая. Попытался погуглить, ничего не нашел. Но думаю, если поставить такой эксперимент, но не с изогнутыми трубками, а просто: очень легкий игрушечный кораблик на воде, на котором будет установлено устройство по всасыванию воздуха через трубку на носу (причем устройство "без выхлопа", с накопителем воздуха). Такая модель скорее всего будет двигаться навстречу всасыванию. Почему? У конца всасывающей трубки создается разрежение воздуха, соответственно атмосферное давление подталкивает кораблик с противоположной стороны. А вот под водой такое устройство (модель подводной лодки с всасывателем без выхлопа) работать скорее всего не будет (а если будет, то не могу предположить механизм), так как вода несжимаема, соответственно перед всасывающей трубкой не будет разрежения. То есть, "эффект движения при всасывании" работает только в сжимаемой (газовой) среде? Это что, я открытие сделал? Прокомментируйте, пожалуйста.
Ну в общем, вариант движения космонавта навстречу "вдоху", скорее всего, реален, но из всех способов самый малоэффективный.

[DimaM]

Toolt в сообщении #1377544 писал(а):

Такая модель скорее всего будет двигаться навстречу всасыванию. Почему? У конца всасывающей трубки создается разрежение воздуха, соответственно атмосферное давление подталкивает кораблик с противоположной стороны. А вот под водой такое устройство (модель подводной лодки с всасывателем без выхлопа) работать скорее всего не будет (а если будет, то не могу предположить механизм), так как вода несжимаема, соответственно перед всасывающей трубкой не будет разрежения. То есть, "эффект движения при всасывании" работает только в сжимаемой (газовой) среде?

При малых скоростях (гораздо меньше скорости звука) воздух можно считать несжимаемым примерно настолько же, как и воду.
В обоих случаях внутри трубки давление понижено, в первом приближении по Бернулли.

[Toolt]

DimaM в сообщении #1377549 писал(а):

Toolt в сообщении #1377544 писал(а):

Такая модель скорее всего будет двигаться навстречу всасыванию. Почему? У конца всасывающей трубки создается разрежение воздуха, соответственно атмосферное давление подталкивает кораблик с противоположной стороны. А вот под водой такое устройство (модель подводной лодки с всасывателем без выхлопа) работать скорее всего не будет (а если будет, то не могу предположить механизм), так как вода несжимаема, соответственно перед всасывающей трубкой не будет разрежения. То есть, "эффект движения при всасывании" работает только в сжимаемой (газовой) среде?

При малых скоростях (гораздо меньше скорости звука) воздух можно считать несжимаемым примерно настолько же, как и воду.
В обоих случаях внутри трубки давление понижено, в первом приближении по Бернулли.

Ну, так все-таки, мое объяснение про "движение кораблика навстречу всасыванию под действием атмосферного давления в направлении разрежения"- правильно? И "под водой кораблик не будет двигаться навстречу всасываемой воде" - правильно?
А, возможно, и под водой будет двигаться, но здесь будет связано с неразрывностью потока (Бернулли)?