Vyhledávání úloh podle oboru

Michal a Karel jsou dvojčata. V zájmu vyššího vědeckého poznání je posadíme každého do jiné kosmické lodi v týž čas $t = 0$ a vystřelíme ze Země $Z$ rychlostmi $\textbf{u}$ a $\textbf{v}$ vstříc hvězdným dálavám. Abychom jim život co nejvíce znepříjemnili, jejich rychlosti svírají úhel $φ$, jak je to vidět na obr. 5. Po čas hvězdného putovaní se jejich rychlosti nemění. V čase $t_{0}$ se Michal, který se zrovna nachází v bodě $M$, rozhodne vyslat zprávu – radiový signál svému sourozenci. Pod jakým úhlem $γ$ vůči svému směru pohybu musí zaměřit signál, aby Karel zprávu obdržel?

Vliv ostatních těles na dráhu lodi a paprsku zanedbejte. Diskutujte též případ, kdy vesmírné lodě nejsou vypuštěny ve stejný čas, ale Michal se vydá do vesmíru o dobu $T$ dříve. Jak se změní výpočet budou-li velikosti rychlosti $\textbf{u}$ a $\textbf{v}$ blízké rychlosti světla $c$?

• Nechť v bodě P dojde k jaderné explozi, při které vznikne mimo jiné množství nestabilních částic, jejichž maximální doba života je 10^{−6} s. Zakreslete do prostoročasového diagramu (jednou osou bude čas a druhou vzdálenost od bodu P) oblast světobodů, kde může dojít k registraci této částice. Jaká křivka ohraničuje tuto oblast?

• Tato úloha je zase více matematická. Ukázalo se, že délky pohybujících se tyčí jsou v diagramech zakresleny v jiném měřítku, než jaké odpovídá osám klidové soustavy (a v jakém jsme zvyklí měřit). Geometrie je zde tedy poněkud jiná než v běžné Eukleidovské rovině. Budeme v prostoročasové rovině považovat za pravý úhel mezi dvěma úsečkami rovnoběžnými s osami téže vztažné soustavy. Zkuste najít vztah pro převod úhlů mezi osami dvou různých vztažných soustav, tak jak je měříme běžným způsobem v klidové soustavě (kde určují rychlosti) a jak by to plynulo z goniometrických fcí pro poměr stran pravoúhlého trojúhleníka (podle uvedené definice pravého úhlu).

• Po objasnění problému rytířů pro vás nebude obtížné vysvětlit následující paradox. Tyč délky $d$, která se pohybuje vysokou rychlostí (ve směru své délky) vodorovně těsně nad zemí, prolétá nad ústím kanálu, jehož klidová délka je taktéž $d$. V klidu by tyč do kanálu přesně zapadla, za pohybu se ale situace komplikuje. Z hlediska kanálu (klidová soustava) se tyč zkracuje, takže by měla hladce propadnout (tyč letí tak nízko, že nemůže kanál jednoduše přeletět a přitom jsou všechny její body stále ve stejné výšce), naopak pro tyč se zkrátil kanál a tedy nepřichází v úvahu, že by se do něj vešla. Jak to tedy dopadne?

• Opusťme již pozorování jen v jednom směru a podívejte se kolem sebe. Přeneste se do automobilu jedoucího značnou (tedy relativistickou) rychlostí dlouhou ulicí. Uvážíte-li relativistické efekty a konečnou rychlost šíření světla, jak se změní podoba ulice, okolních domů i silnice v dálce?

• Pro události v oblastech 1 a 3, resp. 2 a 4 existuje vztažný systém, v němž jsou soumístné resp. současné události s událostí P. Časová, resp. prostorová souřadnice daných bodů v těchto systémech se pak nazývá vlastní čas, resp. vlastní vzdálenost. Určete, kolik činí tento čas, resp. vzdálenost pro bod o klidových souřadnicích $x$ a $ct$. Mají nějaké význačné postavení vzhledem k hodnotám v jiných soustavách souřadnic?

• Jedním z populárních paradoxů je příběh o dvou rytířích, kteří řeší svůj spor tak, že s absolutně tuhými dřevci stejné klidové délky vyjedou přímo proti sobě. Podle pohledu každého z nich je soupeřovo kopí relativisticky zkráceno a má tedy nad ním výhodu prvního úderu. Ovšem zjevně vítězství jednoho z nich nezávisí na vztažném systému. Rozřešte problém zakreslením situace v prostoročasovém diagramu s vyznačením poloh hrotů kopí a těl rytířů v klíčových okamžicích (klidovou soustavu volte spojenou jak se zemí, tak s jedním s rytířů).

• Zjistěte, jaký výraz složený ze souřadnic $x$ a $t$ daného bodu se při změně vztažného systému nemění (je invariantní vúči Lorentzově transformaci).

• Víme, jak se ve vztažném systému dle diagramu určuje rychlost daného bodu. Pohybuje-li se vůči jedné soustavě daný bod rychlostí $u$, jakou rychlostí se pohybuje vzhledem k jiné soustavě, jejíž rychlost vůči první jest $v?$ Pokuste se odvodit spíše pomocí geometrických vztahů v diagramech než podle Lorentzových transformací.

• Navrhněte postup (správný dle postulátů i a ii) synchronizace hodin.

• Všechny inerciální vztažné systémy jsou rovnocenné.
• Rychlost světla je ve všech soustavách stejná.

• Určete převod mezi souřadnicemi bodu O na diagramech 1 a 2, tj vztahy mezi d$x$ a d$x'$, resp. d$t$ a d$t'$, při dané rychlosti v (úseky d$x'$ a d$t'$ jsou rovnoběžné s osami $x'$ a $t'$, tlustá čára odpovídá rychlosti světla $c)$.

Fotograf v některém přístím století vyfotografoval raketu (pro jednoduchost tvaru krychle), a to jednou letící rychlostí blízkou rychlosti světla a jednou stojící, ale natočenou o úhel $φ=48,5°$ (obrázek). S údivem zjistil, že obě černobílé fotografie jsou totožné. Pomozte mu vysvětlit tento jev a spočtěte rychlost letící rakety.