足球场大的场地,一人开车一人跑,有可能撞上吗?

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足球场大的场地,一人开车一人跑,有可能撞上吗?

图片:West Midlands Police / CC BY-SA

姜杰出,一个搞流体的蚊翼青年

先上结论:车能否撞到人,取决于车宽,车与人的极限速度之间的比值,以及车与地面摩擦系数。如果用现实数据,且人没倒霉到一开始就站在车的近死区,车是撞不到人的。

推导过程略复杂,高中数学加上一点点极坐标知识即可看懂,后面的解方程步骤用到了求导,但是不影响前面对问题的理解。

首先是假设:

1.车与人分别有上限速度 V1 和 V2,且 V1>V2.车与人的机动性受制于抓地能力,(即最大加速度为 G*f,f 为重力加速度)。

2.车和人都会采取最优的策略。

为了方便分析问题,引入一下几个概念:极限拐线,盲区,逃逸线,逃逸区,危险区。如图 1 所示:

极限拐线:车以恒定速度 V1 全力左拐(右拐)的轨迹线。显然这是一个与车行进方向相切,切点为左前轮(右前轮)的圆。

盲区:极限拐线包住的区域。

逃逸区:人不在盲区内时,在车撞到人之前,以速度 V2 能逃进盲区内的区域。

极限逃逸线:逃逸区的外边界。显然,逃进盲区的最优线指向车盲区的圆心,逃逸线上任意点朝极限拐线投影路径长度为 

,所以逃逸线是一段阿基米德螺旋线。

死区:盲区、逃逸区外的区域。

如果人在死区,车有能力保证车与人的线距离以及车行进方向与人之间的夹角都在缩小。如果车能够把人一直锁定在死区,就可以撞到人,注意这里有一个限定词"一直"。反之,只要人有任何机会脱离死区进入逃逸区,车就撞不到人。

首先画出考虑到车宽的盲区、死区、逃逸区分布。见图 2

可以发现,死区不一定是连通的,只有死区能够连通地从车前延伸到无穷远时,车才能保证能够锁定人并撞到人,否则在车冲向人,人进入逃逸区的瞬间,人可以采取策略逃离进入盲区。死区的连通性它取决于车宽 L、V1 ,V2,f,g 。

当然开局时,人不会倒霉到直接出现在近死区,那样没法玩。同时,车总能开全力甩开人到足够远处调整方向锁定人到远死区。

考虑死区处于联通与不连通的临界状态,左右两侧的逃逸线应该是相切的。切点的斜率在此处为正无穷。即逃逸线方程(x(theta),y(theta)) 在切点处满足 dx/d theta =0.即可以求出切点坐标,其横坐标为临界车宽的一半。

该方程组是个超越方程,需要用数值求解方法。

在这里取 v1=60m/s, v2=10m/s, g=10m/s^2, f=0.6,解得 L=16m 远超过车宽。所以车撞不到人。

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