Ruch prostoliniowy · Opis położenia ciała
Opis położenia ciała i wektory w ruchu prostoliniowym
1. Układ odniesienia i punkt materialny
### Układ odniesienia
Aby opisać położenie i ruch ciała, trzeba najpierw wskazać, względem czego ten ruch rozpatrujemy. **Układ odniesienia** to ciało lub układ ciał, względem których określamy położenie innych ciał.
Do ilościowego opisu ruchu z układem odniesienia wiążemy **układ współrzędnych** oraz zegar. W ruchu prostoliniowym wystarcza jedna oś, np. oś , z wybranym punktem i zwrotem dodatnim.
To samo ciało może być w spoczynku względem jednego układu odniesienia i jednocześnie poruszać się względem innego — dlatego mówimy, że **ruch jest względny**.
### Punkt materialny
**Punkt materialny** to model ciała, w którym pomijamy jego rozmiary i kształt, ale zachowujemy jego masę. Można go stosować wtedy, gdy rozmiary ciała nie mają znaczenia dla rozwiązania danego problemu.
Przykładowo samochód jadący z Warszawy do Krakowa można traktować jak punkt materialny przy opisie jego trasy. Nie można natomiast pominąć rozmiarów samochodu, gdy analizujemy, czy zmieści się on na miejscu parkingowym.
### Co trzeba ustalić przed opisem położenia?
W zadaniu zawsze sprawdź:
- gdzie znajduje się początek osi,
- jaki jest dodatni zwrot osi,
- w jakich jednostkach podawane są współrzędne.
2. Położenie, przemieszczenie i droga
### Współrzędna położenia
W ruchu prostoliniowym położenie ciała opisujemy współrzędną . Jej znak zależy od tego, po której stronie początku osi znajduje się ciało:
- — po stronie dodatniego zwrotu osi,
- — po przeciwnej stronie,
- — w początku osi.
Wektor położenia jest skierowany od początku układu współrzędnych do punktu, w którym znajduje się ciało. W ruchu jednowymiarowym jego współrzędna jest równa współrzędnej położenia:
Długość wektora położenia jest zawsze nieujemna:
### Przemieszczenie
Jeżeli ciało przemieściło się z położenia do położenia , to:
Na osi wystarcza jedna współrzędna:
Znak informuje o zwrocie przemieszczenia. Długość wektora przemieszczenia wynosi:
### Odległość między dwoma punktami
Odległość punktów o współrzędnych i jest skalarem i wynosi:
Nie zależy więc od tego, który z punktów wpiszemy jako pierwszy.
### Droga a przemieszczenie
**Droga ** jest długością rzeczywiście przebytego toru i zawsze spełnia . **Przemieszczenie** zależy tylko od położenia początkowego i końcowego.
Jeśli ciało porusza się po prostej bez zmiany zwrotu, to:
Jeżeli ciało zmienia zwrot ruchu, droga jest sumą przebytych odcinków i może być większa od wartości przemieszczenia.
3. Działania na wektorach na jednej osi
### Wektor na osi
W ruchu jednowymiarowym wektor można opisać jedną współrzędną ze znakiem. Znak dodatni oznacza zwrot zgodny z dodatnim zwrotem osi, a znak ujemny — zwrot przeciwny.
Długość wektora jest zawsze nieujemna:
### Dodawanie wektorów
Współrzędna sumy wektorów jest sumą ich współrzędnych:
Graficznie można stosować metodę „początek do końca”: początek drugiego wektora umieszczamy na końcu pierwszego. Wektor sumy łączy początek pierwszego wektora z końcem ostatniego.
Dodawanie wektorów jest przemienne:
### Wektor przeciwny
Wektor ma taką samą długość i kierunek jak , ale przeciwny zwrot. Na osi:
### Odejmowanie wektorów
Odejmowanie sprowadzamy do dodawania wektora przeciwnego:
Dla współrzędnych:
Odejmowanie nie jest przemienne. W ogólności:
bo:
### Przykład
Jeżeli i , to:
Dwa ostatnie wektory mają tę samą długość , ale przeciwne zwroty.
4. Najważniejsze pułapki
### Długość wektora a jego współrzędna
Współrzędna wektora może być ujemna, ale jego długość nie:
Jeżeli , to długość wektora wynosi .
### Położenie a odległość od początku osi
Współrzędna położenia może być dodatnia, ujemna albo równa zeru. Odległość ciała od początku osi jest natomiast skalarem:
Nie należy utożsamiać tych dwóch wielkości.
### Droga a przemieszczenie
Różnica współrzędnych daje przemieszczenie:
a nie zawsze drogę. Gdy ciało zmienia zwrot ruchu, drogę trzeba wyznaczyć jako sumę długości kolejnych odcinków.
### Kolejność przy odejmowaniu
W rzeczywistości:
Wektory te mają więc jednakowe długości, ale przeciwne zwroty.
### Wybór osi ma znaczenie
Wartość współrzędnej położenia zależy od wyboru początku i zwrotu osi. Jeśli tylko przesuniemy początek osi, nie zmieniając jej zwrotu, różnica współrzędnych dwóch punktów pozostaje taka sama. Po odwróceniu zwrotu osi znak współrzędnej przemieszczenia zmieni się.
### Szybka kontrola wyniku
Po rozwiązaniu zadania sprawdź:
- czy długości wektorów są nieujemne,
- czy znak współrzędnej zgadza się ze zwrotem wektora,
- czy przy przemieszczeniu użyto kolejności „położenie końcowe minus początkowe”.