Почему, если прыгнуть вверх в вагоне, ты приземлишься на то же место, а если на крыше вагона, то на другое

На днях наткнулся в соцсетях на обсуждение животрепещущего вопроса: «Почему, если прыгнуть в вагоне вверх, ты приземлишься на то же место, а если на крыше вагона, то место приземления будет другое?». Попробуем разобраться.
 

 
Предложили почитать пост из одной группы, в котором автор задается вопросом, вынесенным в заголовок, – про прыжки на вагоне и вне вагона. Сперва про самолеты и воздушные шары
 
Когда я его прочитал, то вспомнил классическую авиационную загадку о том, почему вертолет, взлетая с вертолетной площадки и зависая на одном месте, приземляется туда же. Ведь Земля крутится и успевает за это время немного сдвинуться под вертолетом.
 
Если бы все было так просто, можно было бы бесплатно путешествовать. Только представьте себе: строим воздушный шар, взлетаем, ждем, когда Земля повернется под нами на нужное место, и приземляемся. Никаких усилий. Хотя, постойте! Земля ведь не только вращается, но еще и в космическом пространстве перемещается. Так что нет! Не сработает. Под воздушным шаром Земля не только провернулась бы, но и улетела к чертям собачим, так что аэростат остался бы висеть в космосе.
 
К счастью, в реальности атмосфера вращается и перемещается вместе с Землей, поэтому ни у птиц, ни у самолетов, ни у вертолетов, ни у воздушных шаров нет никаких проблем с приземлением, а мы не можем подпрыгнуть повыше так, чтобы приземлиться в Саратове.
 
Кстати, про самолеты. Знаете, какая самая популярная загадка про них? Почему самолет на восток самолет летит быстрее, чем на запад? Это очень заметно на долгих межконтинентальных перелетах! И в Сети можно найти тысячи объяснений, что это происходит из-за того, что под самолетом поворачивается Земля.
 
Но Земля крутится с запада на восток, то есть если бы все дело было во вращении планеты, самолеты летели бы быстрее на запад. А они летят быстрее на восток!
 
И вращение Земли ни причем, потому что самолеты летят в атмосфере, которая вращается вместе с планетой. А самолетам мешают (и помогают) ветра. Именно они обычно дуют с запада на восток. Таким образом, в одну сторону ветра становятся попутными, а в другую – встречными. Это и увеличивает (уменьшает) скорости самолетов.
 
Черный юмор и правильный ответ!
 
Ну а мы вернемся к поезду. С ним все еще проще. Хотя в группе «Физика», где обсуждался вопрос про прыжки внутри вагона и на его крыше, на эту тему образовалось больше 200 комментариев.
 
Многие, конечно, шутили про опасность прыжков на крыше в виду близости к проводам.
 
«Ну ка бы... зависит от того какое напряжение. Если 3000 постоянного тока, то приземлится ближе, но в виде пепла. А если переменный ток, то там до 30 000 может доходить – может отбросить от крыши поезда метра на три. Нужно условия задачи уточнить», – пишет один из пользователей.
 
«Потому что если вы подпрыгнете на крыше вагона, движущегося по электрифицированной железной дороге, точкой приземления может стать кладбище», – добавляет другой.
 

 
Много шутников при ответе на вопрос иронизировали иначе: «Ну, тут все понятно. Крыша вагона дальше от Земли, ниже гравитация, это значит, что время на крыше течет с другой скоростью», «Если прыгнешь на крыше вагона, то тебя подхватывает межпространственный лифт и везет прямиком в райские сады или в адские пещеры, смотря какой билет выпадает»…
 
Но есть и правильный ответ. Воздух внутри вагона движется вместе с ним в замкнутой системе, поэтому, подпрыгивая, человек продолжает перемещаться не только по вертикали, но и по горизонтали. На крыше вагона воздух не движется вместе с поездом и прыгуна встречный поток просто сносит назад.
 

 
Это объяснение – правильное, но слишком короткое и упрощенное. Есть более полное от Людмилы Уолкер:
 
«Если вы подпрыгнете строго вертикально к полу/крыше вагона, вы по инерции все еще будете двигаться со скоростью поезда. Это потому что вертикальная составляющая вашего прыжка не окажет влияние на горизонтальную (движение поезда). То есть вертикальное движение будет само по себе, горизонтальное само по себе. И, когда вы приземлитесь на пол/крышу, вы попадете точно в ту же точку, с которой подпрыгнули. Это без учета трения воздуха.
 
С учетом трения будет так. Внутри поезда воздух тоже движется со скоростью поезда и, пока вы в воздухе, горизонтальная составляющая вашей скорости не изменится. На крыше, воздух не движется с поездом, он движется против поезда, и обе составляющие (вертикальная и горизонтальная) вашей скорости изменятся (затормозятся). И точка приземления будет смещена от точки, с которой вы подпрыгнули».
 
По поводу задачки у людей совсем разные мнения. Кто-то называет ее тролингом, а кто-то считает, что это вполне хорошая загадка аж для школьной олимпиады по физике.
 

 
Среди пользователей есть и любители копнуть поглубже. Они утверждают, что прыгнувший внутри вагона человек может приземлиться на то же место, если только поезд идет с постоянной скоростью по прямой линии, и плоской поверхности, пассажир находился в этом поезде достаточно времени, чтобы набрать его скорость, и он подпрыгнул под углом 90 градусов к линии пола вагона. При обсуждении темы кто-то вспомнил даже про силу Кориолиса, которая будет действовать, если поезд идет не вдоль экватора, а вдоль меридианов!
 
Впрочем, эти физические дебри оставим специалистам, а короткий ответ на вопрос, вынесенный в заголовок, звучит просто: потому что сдует.