Ruch prostoliniowy · Opis ruchu prostoliniowego
Opis ruchu prostoliniowego — położenie, droga i wykres x(t)
1. Opis położenia w czasie
### Jak opisujemy ruch prostoliniowy?
W ruchu prostoliniowym położenie ciała opisujemy jedną współrzędną . Aby opis był jednoznaczny, trzeba określić początek osi, jej dodatni zwrot oraz jednostkę długości.
Jeżeli obserwujemy ruch w czasie, położenie zapisujemy jako funkcję:
Oznacza to, że każdej chwili przyporządkowujemy współrzędną położenia ciała .
### Położenie początkowe
Położenie w chwili rozpoczęcia obserwacji oznaczamy zwykle przez:
Nie trzeba przyjmować . Ciało może w chwili znajdować się po dodatniej albo ujemnej stronie osi.
### Co wynika ze zmiany ?
- gdy rośnie, ciało porusza się zgodnie z dodatnim zwrotem osi,
- gdy maleje, ciało porusza się przeciwnie do dodatniego zwrotu osi,
- gdy się nie zmienia, ciało pozostaje w spoczynku.
Wybór początku układu współrzędnych zmienia wartości samych współrzędnych , ale nie zmienia fizycznej odległości między dwoma punktami ani przemieszczenia między nimi.
2. Droga i przemieszczenie
### Przemieszczenie
**Wektor przemieszczenia** jest skierowany od położenia początkowego do położenia końcowego ciała. W ruchu wzdłuż osi jego współrzędna wynosi:
Znak informuje o zwrocie przemieszczenia:
- — zwrot zgodny z osią ,
- — zwrot przeciwny,
- — położenie końcowe jest takie samo jak początkowe.
Długość wektora przemieszczenia jest zawsze nieujemna:
Dla kolejnych etapów ruchu przemieszczenia dodajemy ze znakami:
### Droga
**Droga ** jest długością rzeczywiście przebytego toru. Jest wielkością skalarną i zawsze spełnia:
Jeżeli ciało porusza się po prostej bez zmiany zwrotu, to:
Jeżeli ciało zawraca, drogę wyznaczamy jako sumę długości kolejnych etapów:
### Przykład ruchu z nawrotem
Ciało startuje z , dociera do , a następnie wraca do .
Przemieszczenie całkowite:
Droga:
To pokazuje, że droga i wartość przemieszczenia są równe tylko w szczególnym przypadku ruchu bez zmiany zwrotu.
3. Jak czytać wykres położenia x(t)
### Co przedstawiają osie?
Na wykresie na osi poziomej odkładamy czas , a na osi pionowej współrzędną położenia . Każdy punkt wykresu informuje, gdzie znajdowało się ciało w danej chwili.
Położenie początkowe odczytujemy dla :
### Kierunek ruchu
Kierunek ruchu rozpoznajemy po tym, jak zmienia się współrzędna :
- wykres rośnie — ciało porusza się zgodnie z dodatnim zwrotem osi ,
- wykres jest poziomy — ciało pozostaje w spoczynku,
- wykres maleje — ciało porusza się przeciwnie do dodatniego zwrotu osi .
### Nachylenie wykresu i prędkość
Dla prostoliniowego odcinka wykresu współrzędna prędkości jest stała i wynosi:
Jednostką nachylenia wykresu jest więc jednostka prędkości, np. .
Im większa wartość , tym bardziej stromy jest odcinek wykresu przy tych samych skalach osi. Nie należy jednak utożsamiać prędkości bezpośrednio z kąta widocznego na kartce — wartość tego kąta zależy od przyjętych skal obu osi.
### Przemieszczenie z wykresu
W przedziale od do odczytujemy dwa położenia i obliczamy:
### Droga z wykresu
Jeżeli ciało nie zmienia zwrotu ruchu, to:
Jeżeli wykres ma punkt zwrotny, drogę trzeba policzyć etapami. Dla kolejnych odcinków:
Poziomy fragment wykresu oznacza postój: w tym czasie zarówno przyrost drogi, jak i przemieszczenie są równe zeru.
4. Najważniejsze pułapki
### Droga to nie to samo co przemieszczenie
Jeżeli ciało zmienia zwrot ruchu, nie można zapisywać . Przemieszczenie zależy tylko od położenia początkowego i końcowego, natomiast droga uwzględnia cały przebyty tor.
Jeżeli ciało wróci do punktu startu:
ale droga może być duża i na pewno nie musi być równa zeru.
### Zmiana początku osi
Przesunięcie punktu zmienia współrzędne położenia, ale przy zachowaniu tego samego zwrotu osi nie zmienia współrzędnej przemieszczenia:
Obie współrzędne przesuwają się o tę samą wartość, więc ich różnica pozostaje taka sama.
### Nie zakładaj, że
Położenie początkowe należy odczytać z danych lub wykresu. Może ono być dodatnie, ujemne albo równe zeru.
Przykładowo, gdy , to przemieszczenie po czasie wynosi:
### Przy ruchu powrotnym nie odejmujemy dróg
Drogi pokonane w kolejnych etapach zawsze dodajemy jako wartości nieujemne. Powrót może oznaczać ujemne przemieszczenie cząstkowe, ale dodatni przyrost drogi.
### Wykres nie pokazuje toru ruchu
Linia na wykresie przedstawia zmianę współrzędnej położenia w czasie. Nie jest rysunkiem rzeczywistej trasy ciała. Oś pozioma oznacza czas, a nie położenie w przestrzeni.
### Szybka kontrola zadania
Po rozwiązaniu sprawdź:
- czy użyto kolejności „położenie końcowe minus położenie początkowe”,
- czy droga jest nieujemna,
- czy przy zmianie zwrotu droga została policzona etapami,
- czy z wykresu poprawnie odczytano moment postoju i moment zmiany zwrotu.