Ruch prostoliniowy · Ruch prostoliniowy jednostajnie zmienny
Ruch prostoliniowy jednostajnie zmienny — opracowanie teoretyczne
1. Ruch jednostajnie zmienny i przyspieszenie
Ruch prostoliniowy jednostajnie zmienny to ruch po linii prostej, w którym współrzędna przyspieszenia jest stała:
### Przyspieszenie
Przyspieszenie opisuje, jak szybko zmienia się prędkość. Dla ruchu prostoliniowego:
Jednostką przyspieszenia w układzie SI jest:
Jeżeli przyspieszenie jest stałe, to w jednakowych odstępach czasu współrzędna prędkości zmienia się o jednakową wartość.
### Ruch przyspieszony i opóźniony
O tym, czy szybkość rośnie, czy maleje, decyduje wzajemny zwrot prędkości i przyspieszenia:
* gdy i mają ten sam znak, szybkość rośnie,
* gdy i mają przeciwne znaki, szybkość maleje.
Sam znak nie wystarcza więc do stwierdzenia, czy ciało przyspiesza, czy zwalnia. Zależy on także od przyjętego zwrotu osi.
2. Równania ruchu i prawo nieparzystych liczb Galileusza
Przyjmijmy, że chwila początkowa to . Dla stałego przyspieszenia ruch wzdłuż osi opisują równania:
### Prędkość
### Położenie i przemieszczenie
Stąd:
Są to równania ze znakami. Współrzędne i mogą być dodatnie lub ujemne w zależności od wybranego zwrotu osi.
Jeżeli ciało w rozpatrywanym przedziale nie zmienia zwrotu, droga jest równa modułowi przemieszczenia:
### Zależność bez czasu
Eliminując czas, otrzymujemy:
Ta postać jest bezpieczniejsza niż zapisywanie wzoru od razu dla drogi, ponieważ uwzględnia znaki przyspieszenia i przemieszczenia.
### Prędkość średnia przy stałym przyspieszeniu
W dowolnym przedziale, w którym :
### Prawo nieparzystych liczb Galileusza
Dla ruchu od spoczynku ze stałym przyspieszeniem drogi przebyte w kolejnych jednakowych przedziałach czasu , bez zmiany zwrotu, są proporcjonalne do kolejnych liczb nieparzystych:
Droga w -tym takim przedziale wynosi:
Dla kolejnych sekund należy przyjąć . Dzięki temu wzór pozostaje poprawny także pod względem jednostek.
3. Swobodny spadek i rzut pionowy w polu grawitacyjnym
W pobliżu powierzchni Ziemi, jeżeli pomijamy opór powietrza, ruch pionowy można traktować jako ruch ze stałym przyspieszeniem grawitacyjnym o wartości:
W zadaniu należy używać wartości podanej w treści lub tablicach.
### Swobodny spadek
Dla ciała puszczonego bez prędkości początkowej i drogi spadania :
Stąd między innymi:
W tych wzorach oznacza wartość prędkości, a — przebytą w dół drogę.
### Rzut pionowy w górę
Jeżeli oś skierujemy pionowo w górę i przyjmiemy , to:
W najwyższym punkcie toru chwilowa prędkość wynosi zero:
Dlatego czas wznoszenia i wysokość maksymalna względem punktu wyrzutu wynoszą:
Jeżeli ciało wraca na dokładnie ten sam poziom, z którego zostało wyrzucone, to czas całego lotu jest równy:
Ten ostatni wzór nie obowiązuje, gdy punkt końcowy znajduje się na innej wysokości niż punkt wyrzutu.
4. Wykresy kinematyczne: a(t), v(t) oraz x(t)
W ruchu prostoliniowym jednostajnie zmiennym wykresy pozwalają odczytać najważniejsze zależności bez zapamiętywania dodatkowych wzorów.
### Wykres przyspieszenia
Ponieważ przyspieszenie jest stałe:
Pole algebraiczne między wykresem a osią czasu w danym przedziale odpowiada zmianie współrzędnej prędkości:
### Wykres prędkości
Wykres jest linią prostą. Przyspieszenie wyznaczamy z jej nachylenia jako stosunek zmian wartości na osiach:
Nie należy zapisywać bez uwzględnienia skal osi — sam kąt narysowanej prostej nie ma bezpośrednio jednostki przyspieszenia.
Pole algebraiczne między wykresem a osią czasu daje przemieszczenie:
Jeżeli zmienia znak, droga nie jest równa temu polu algebraicznemu. Wtedy trzeba dodać wartości bezwzględne pól odpowiadających kolejnym odcinkom ruchu.
Przy stałym przyspieszeniu i bez zmiany zwrotu można wykorzystać:
a następnie .
### Wykres położenia
Wykres położenia jest fragmentem paraboli:
Kierunek wygięcia paraboli zależy od znaku :
* dla parabola jest wygięta ku górze,
* dla parabola jest wygięta ku dołowi.
Nie jest to to samo co podział na ruch przyspieszony i opóźniony. Szybkość rośnie lub maleje w zależności od znaków zarówno , jak i .
Jeżeli w rozpatrywanym ruchu występuje chwila, w której , odpowiada ona ekstremum wykresu i może oznaczać zmianę zwrotu ruchu.
5. Pułapki i najczęstsze błędy maturalne
### Przyspieszenie a zmiana prędkości
Przyspieszenie nie jest po prostu „zmianą prędkości w jednej sekundzie”. Definiujemy je jako:
Dopiero dla przedziału zmiana prędkości ma wartość liczbową odpowiadającą przyspieszeniu wyrażonemu w .
### Znak przyspieszenia nie mówi, czy ciało zwalnia
Trzeba porównać znaki i . Gdy są jednakowe, szybkość rośnie; gdy są przeciwne, szybkość maleje.
### Droga i przemieszczenie
Równania kinematyczne zapisane ze współrzędnymi opisują przemieszczenie . Jeżeli ciało zmienia zwrot, całkowita droga wymaga podziału ruchu na etapy.
### Droga w -tym przedziale
Nie myl drogi przebytej do chwili z drogą przebytą tylko w -tym przedziale. Drugą wielkość otrzymujemy jako różnicę położeń lub dróg na końcach tego przedziału.
### Wykresy
Na wykresie nachylenie daje:
a pole algebraiczne daje przemieszczenie. Sam kąt nachylenia narysowanej prostej nie jest wartością przyspieszenia.
### Rzut pionowy
Przy osi skierowanej w górę zawsze zapisujemy . Wzór można stosować tylko wtedy, gdy ciało wraca na poziom wyrzutu.
### Prędkość średnia
Zależność
obowiązuje dla stałego przyspieszenia.
### Schemat rozwiązania
Krok 1: Wybierz oś i jej zwrot oraz zapisz dane ze znakami.
Krok 2: Zapisz równanie symboliczne odpowiednie do szukanej wielkości.
Krok 3: Jeżeli występuje zatrzymanie lub zmiana zwrotu, podziel ruch na etapy.
Krok 4: Przekształć wzór, a dopiero potem podstaw wartości i sprawdź jednostkę oraz sens fizyczny wyniku.