14.1.14∗. Лодочник под мостом уронил в воду багор. Через время $\tau$ , находясь на расстоянии $L$ от моста, он обнаружил потерю и, повернув назад, догнал багор на расстоянии $l$ от моста. Время и расстояния приведены в системе «берег». Какова скорость реки? Получите релятивистский ответ и из него нерелятивистское приближение.
К задаче $14.1.14$
Решение
$\textbf{Эпиграф: "Каждые найденные багры счастливы одинаково, а каждый потерянный багор несчастен по своему".}$ (Перефразировка классика)
Пусть $u$ - собственная скорость лодки относительно воды, а $\upsilon$ - скорость реки относительно берега. В системе отсчёта "берег" скорость лодки по течению $V_{1}$ и против течения $V_{2}$ определяются релятивистской формулой сложения скоростей:
Скорость багра в системе "берега" равна скорости реки $\upsilon$.
Лодочник упустил багор под мостом с пространственно-временной координатой $x=0, t=0$. Через время $\tau$ по часам "берега" лодка оказалась на расстоянии $L$:
Лодочник разворачивается и догоняет багор на расстоянии $l$ от моста. Пусть $t^{'}$ - время движения лодки назад до момента встречи с багром. Багор за время разлуки с лодочником преодолеет расстояние:
Итак, мы получили систему из двух уравнений (1) и (2) с двумя неизвестными $u$ и $\upsilon$. Из-за скучности и громоздкости алгебраических преобразований я их буду опускать и писать сразу результат. Из (1) выражу $u$:
Нерелятивистское приближение получается при $l\ll c\tau$ и $L\ll c\tau$, тогда воспользовавшись формулой $(1+x)^{\alpha}\approx 1+\alpha x$ при $x\ll 1$, получим:
В ответе задачника то ли опечатки, то ли просто неверный ответ.
В рамках классической механики эта задача решается элементарно. Перейдём в систему отсчёта связанную с рекой. В этой системе вода неподвижна и багор наш неподвижен. Лодочник отдаляется от неподвижного багра время $\tau$, а потом с той же скоростью приближается к багру за тоже время $\tau$. Общее время разлуки багра с лодочником будет $2\tau$. За это время сам багор преодолел расстояние $l$ в системе отсчёта "берег", и преодолевал он его со скоростью реки $\upsilon$: