Условие:
$1.1.7.$ С подводной лодки, погружающейся вертикально и равномерно, испускаются звуковые импульсы длительности \(\tau _{0}\). Длительность приема отраженного от дна импульса \(τ\). Скорость звука в воде \(c\). С какой скоростью погружается подводная лодка?
Решение:
Рассмотрим, с чем связано изменение длительности сигнала. Для этого удобно перейти от длительности сигнала к его протяженности.
Пусть сигнал, излучаемый гидролокатором на лодке, имеет форму, показанную на рисунке, то есть ею интенсивность скачком меняется от нуля до некоторой величины в момент времени $t$, остается постоянной в течение времени $\tau_{0}$ и опять скачком падает до нуля в момент времени $t + \tau_{0}$.
Если лодка неподвижна, то протяженность излучаемого сигнала (расстояние между передним и задним фронтами) равна $l_{0} = V \tau_{0}$. Если лодка опускается, протяженность сигнала становится меньше.
Действительно, пусть в момент начала сигнала лодка находится в некоторой точке $А$, а к тому времени, когда сигнал прекращается, - в точке $С$, причем $AC = u \tau_{0}$, где $u$ - скорость погружения лодки.
Передний фронт сигнала за время $\tau_{0}$ переместится в точку $В$, пройдя расстояние $l_{0}$.
Следовательно, протяженность сигнала равна
$$l_{1} = BC = ( V - u ) \tau_{0}$$
Этот сигнал доходит до дна, отряжается от него без изменения протяженности и движется навстречу лодке.
В некоторый момент времени передний фронт сигнала поравняется с лодкой.
Задний же фронт сигнала продолжает двигаться со скоростью $V + u$ относительно лодки, следовательно, длительность сигнала, принимаемого на лодке, равна
$$\tau = \frac{l_{1} }{V + u} = \frac{(V - u) \tau_{0} }{V + u}$$
Отсюда
$$u = V \frac{ \tau_{0} - \tau }{ \tau_{0} + \tau }$$