Ruch krzywoliniowy · Prędkość w różnych układach odniesienia
Prędkość w różnych układach odniesienia — składanie prędkości
1. Układ odniesienia i względność ruchu
To, czy ciało jest w ruchu, zależy od wybranego **układu odniesienia**. To samo ciało może mieć różne prędkości względem różnych obserwatorów.
Zamiast mówić o układzie „nieruchomym” i „ruchomym” w sensie bezwzględnym, wybieramy dwa układy: oraz , przy czym porusza się względem .
### Oznaczenia
Prędkość ciała względem układu zapisujemy jako , a prędkość układu względem jako .
W fizyce klasycznej, dla prędkości dużo mniejszych od prędkości światła, obowiązuje zależność:
Najważniejsze jest zawsze ustalenie, **względem czego podana jest każda prędkość**.
2. Składanie prędkości i prędkość względna
Jeżeli cały ruch odbywa się wzdłuż jednej osi , wygodnie posługiwać się współrzędnymi prędkości ze znakami:
Dodatni lub ujemny znak informuje o zwrocie ruchu względem przyjętej osi.
### Prędkość względna dwóch ciał
Prędkość ciała 1 względem ciała 2 wynosi:
Dla ruchu po jednej prostej:
* gdy ciała jadą w tę samą stronę, wartość szybkości względnej wynosi
* gdy poruszają się naprzeciw siebie,
### Wyprzedzanie i wymijanie
Jeżeli dwa obiekty o długościach i mają stałe prędkości, to przy pełnym wyprzedzaniu lub wymijaniu droga do pokonania w ruchu względnym jest równa .
Jeżeli jeden obiekt traktujemy jako punkt materialny, odpowiednia droga względna może być równa tylko długości drugiego obiektu. Zawsze trzeba odczytać z treści, między jakimi momentami trwa manewr.
3. Składanie prędkości na płaszczyźnie
Gdy prędkości nie leżą na jednej prostej, trzeba dodawać lub odejmować **wektory**, a nie ich wartości.
Jeżeli
to prędkość ciała 1 względem ciała 2 ma składowe:
Jej wartość wynosi:
Kierunek wyznaczamy z geometrii wektora i zależności trygonometrycznych.
### Przeprawa przez rzekę — dziób prostopadle do brzegu
Jeżeli łódź ma szybkość względem wody, nurt ma szybkość , a oba wektory są prostopadłe, to:
Czas pokonania szerokości rzeki wynosi:
a zniesienie z prądem:
### Przeprawa dokładnie na wprost
Aby prędkość względem brzegu była prostopadła do brzegów, łódź musi skierować dziób pod prąd. Jeżeli jest kątem odchylenia od kierunku prostopadłego do brzegu, to:
Warunek wykonalności: .
Wtedy szybkość względem brzegu wynosi:
### Deszcz i poruszający się samochód
Jeżeli w układzie Ziemi deszcz pada pionowo z szybkością , a samochód jedzie poziomo z szybkością , to:
Dla kąta liczonego od pionu:
4. Ruch względny przy zmiennych prędkościach
Jeżeli prędkości ciał zmieniają się w czasie, nadal można analizować ich ruch względny.
Dla ruchu wzdłuż jednej osi:
Jeżeli przyspieszenia są stałe, względne położenie zmienia się zgodnie z równaniem:
To pozwala rozwiązywać zadania o doganianiu lub wyprzedzaniu także wtedy, gdy oba pojazdy przyspieszają.
5. Pułapki i najczęstsze błędy
### Zawsze zapisuj, względem czego podano prędkość
Prędkość łodzi względem wody i prędkość łodzi względem brzegu to różne wielkości.
### Nie dodawaj wartości prędkości, gdy wektory nie są współliniowe
Dla wektorów prostopadłych nie wolno pisać . Trzeba zastosować dodawanie wektorowe.
### Uważaj na znaki w ruchu jednowymiarowym
Najbezpieczniej najpierw wybrać dodatni zwrot osi i zapisać współrzędne prędkości ze znakami.
### Ruch względny to odejmowanie wektorów
Dopiero po tym wyznaczamy wartość szybkości względnej.
### Nie myl drogi względnej z długością jednego pojazdu
Przy pełnym mijaniu dwóch pojazdów o długościach i droga względna wynosi zwykle . Jeżeli jeden obiekt jest punktem materialnym, może być równa tylko długości drugiego obiektu.
### W przeprawie przez rzekę rozróżniaj dwa cele
Najkrótszy czas przeprawy i dotarcie dokładnie naprzeciwko startu to dwa różne warunki.
### Schemat rozwiązania
Krok 1: Wybierz układ odniesienia i dodatni zwrot osi.
Krok 2: Zapisz, względem czego określona jest każda prędkość.
Krok 3: Zapisz zależność wektorową lub równania składowych.
Krok 4: Dopiero potem podstaw wartości liczbowe i sprawdź zwrot oraz jednostki.