Равномерное движение

Школьный курс физики содержит раздел «кинематика». Большинство задач этого раздела можно решить, рассматривая движение вдоль одной оси — одномерное движение. Его еще называют прямолинейным движением.

Для некоторых задач нужно рассматривать движение на плоскости – двумерный случай.

Вообще, движение тела может происходить:

  • вдоль оси – одномерный случай, ось часто именуют, как «Ox»;
  • на плоскости;
  • в трехмерном пространстве;

Здесь рассмотрим одномерный случай движения — движение тел вдоль оси.

Параметры, описывающие движение

Чтобы описать движение, используют:

  • перемещение тела;
  • время, в течение которого движение происходило;
  • скорость тела;
  • начальные и конечные координаты тела;
  • траекторию тела;

Траектория – линия, вдоль которой двигалось тело.

Траектория – скаляр, в СИ длину траектории измеряют в метрах.
Для криволинейного движения траектория будет отрезком кривой.
Если движение прямолинейное, траектория – отрезок прямой линии.

Перемещение тела – это вектор. Он соединяет точки, в которых тело находилось в начале и конце движения, направлен из начальной точки в конечную.
Модуль этого вектора – его длину, в СИ измеряют в метрах.

Может ли перемещение тела равняться нулю, при том, что траектория имеет какую-либо протяженность?
Да, такое может быть. Когда тело движется так, что в конце движения оно вернется в начальную точку, в которой находилось перед началом движения.
Если в завершении движения тело окажется на каком-то расстоянии от начальной точки, длина вектора перемещения будет положительной.

Примечания:

  • Модуль (длина) вектора не бывает отрицательным, он либо положительный, либо нулевой.
  • Когда тело движется по прямой и не меняет направление, длина траектории совпадает с длиной (модулем) перемещения.

Уравнение движения — описывает характер движения.

Оно содержит:

  • время движения,
  • начальную и конечную координаты тела и
  • его скорость.

Вместо координат тела уравнение движения может содержать перемещение.

Примечания:

  1. Координаты тела, время движения и траектория – это скалярные величины.
  2. А скорость тела, его ускорение и перемещение – это векторы.
  3. Когда движение равномерное, скорость тела не меняется.
  4. Скорость отвечает на вопрос: как быстро изменяется координата (или путь, перемещение).

Описанные параметры применяют и для равномерного и для неравномерного движения.

Прямолинейное движение вдоль оси

Рассмотрим движение по прямой, когда скорость тела не меняется. Это — равномерное прямолинейное движение.

На рисунке 1 представлено движение тела вдоль оси, назовем ее для определенности Ox:

Перемещение – это разность между конечной и начальной координатами тела, взятая по модулю
Рис. 1. Перемещение – это разница между конечной и начальной координатами тела

Ось «Ox»  на рисунке 1 обозначена большим символом «X».
Точка, в которой тело находилось в начале движения \(x_{0}  \left( \text{м} \right)\) — начальная координата тела;
В эту точку тело переместилось к концу движения \(x  \left( \text{м} \right)\) — конечная координата тела;
Расстояние между двумя точками \(S \left( \text{м} \right)\) – это перемещение тела. Перемещение – это вектор.

Формула перемещения для одномерного случая

Для движения по оси (одномерный случай), длину перемещения находят так:
\[ \large \boxed { S = \left| x — x_{0} \right| }\]
Знак модуля нужен для того, чтобы длина перемещения оставалась положительной, даже, если движение происходит влево по оси, т. е. против направления оси Ox.
Сравним два случая движения тел. Первый – в положительном направлении оси Ox (рис 2а), второй – в направлении, противоположном оси (рис 2б).

Тело перемещается вправо по оси – а) и, влево по оси – б)
Рис. 2. Перемещение вправо по оси – а) и влево по оси – б)

Чтобы найти длину вектора перемещения при движении в положительном направлении оси (рис. 2а), модуль раскрываем так:
\[ S = \left| x — x_{0} \right| = x — x_{0} \]
Для движения в отрицательном направлении оси (рис. 2б), длина вектора перемещения выражается так:
\[ S = \left| x — x_{0} \right| = — \left( x — x_{0} \right) = x_{0} — x \]
И в первом, и во втором случае, длина (модуль) вектора перемещения окажется положительной.

Скорость равномерного движения

В учебниках физики равномерному движению дают такое определение:
Движение равномерное, когда тело за одинаковые интервалы времени проходит равные расстояния.

Упростим формулировку:
Если каждую секунду тело проходит одинаковые расстояния – оно движется равномерно.

Слово «равномерное» состоит из двух частей.
Если разбить его на части, получим
«равно» — одинаковый, равный,
«мерное» — отмерять.
Или, другими словами: каждую секунду отмеряем одинаковые расстояния (рис. 2).

Если тело проходит равные пути за одинаковое время – движение равномерное
Рис. 3. Если тело проходит равные пути за одинаковые кусочки времени, движение будет равномерным

 

Для равномерного движения тела его

  • перемещение,
  • время движения и
  • скорость,

связаны соотношением:

\[ \left|\vec{S} \right| = \left|\vec{v} \right|\cdot t \]

Эта формула называется уравнением движения. Или, развернуто: «уравнение равномерного прямолинейного движения».

Где \( \left|\vec{S} \right| \) — длина (модуль) вектора перемещения и, \(\left|\vec{v} \right|\) — длина (модуль) вектора скорости.

Уравнение движения можно записать проще:

\[ \large \boxed { S = v \cdot t }\]

\(S \left( \text{м} \right)\) – расстояние, пройденное телом (перемещение).

\(t \left( c \right)\) – промежуток времени, в течение которого тело двигалось.

\(v \left( \frac{\text{м}}{c} \right)\) – скорость, с которой двигалось тело.

Разделив обе части уравнения \( S = v \cdot t \) на интервал времени \( t \), получим выражение для скорости тела:

\[ \large \boxed { \frac{S}{t} = v }\]

График уравнения равномерного движения

Вспомним, что перемещение является разностью конечных и начальных координат тела

\(  S = \left| x — x_{0} \right| \)

Воспользуемся тем, что при движении вдоль положительного направления оси модуль можно раскрыть так:

\(  \left| x — x_{0} \right| = x — x_{0} \)

Тогда уравнение движения перепишем так:

\[ \large \boxed { x — x_{0}  = v \cdot t }\]

Прибавим к обеим частям уравнения величину \( x_{0} \). Получим такую запись

\[ \large x  = v \cdot t + x_{0}\]

Это уравнение задает на плоскости tOx линию. Ее график на осях «x» и «t» — это прямая линия.

Вспомним, что для прямой линии в математике применяют такой вид записи:

\( y  = k \cdot x + b\)

Сравним два уравнения:

\[ \begin{cases} x = v\cdot t + x_{0}\\ y = k\cdot x + b \end{cases} \]

Видно, что число \( x_{0}\) – начальная координата тела, выполняет роль коэффициента \(b\).

А скорость тела \( v\) – играет роль углового коэффициента \(k\).

Сравним графики линий (рис. 4), описанных соотношениями \( y  =  k \cdot x + b\) и \( x  =  v \cdot t + x_{0}\)

Для равномерного движения тела изменение координаты происходит по линейному закону
Рис.4. При равномерном движении тела координата изменяется по линейному закону

Видно, что линия на рисунке 4а, располагается и слева и справа от вертикальной оси.

Линия же, описывающая движение тела, представленная на рисунке 4б, располагается только лишь в правой полуплоскости. Это не с проста. На горизонтальной оси рисунка 4б отложено время, а в левой полуплоскости время будет отрицательным. При решении задач физики мы считаем, что в начальный момент задачи время равно нулю. Поэтому, область отрицательного времени в физике нас не интересует.

Рассмотрим теперь на графике равномерное движение двух тел, обладающих разными скоростями (рис. 5). Движение тела 1 на рисунке описывает синяя линия, а тела 2 – красная.

Равномерное движение двух тел, скорость тела 1 (синий цвет) больше скорости тела 2 (линия красного цвета).
Рис.5. Равномерное движение двух тел, обладающих разными скоростями. Скорость тела 1 (синий цвет) больше скорости тела 2 (линия красного цвета).

Два тела стартуют из точки \( x_{0}\) и двигаются равномерно воль оси Ox. За промежуток времени \( \Delta t\) тело 1, проходит больший путь, чем тело 2.

Примечание: Чем сильнее на графике x(t) прямая линия прижимается к вертикали, тем больше скорость, с которой движется тело!

Как отмечалось выше, тело может двигаться не только в положительном направлении вдоль оси, но и в отрицательном направлении.

На следующем рисунке представлены случаи движения тела в положительном (рис. 6а) и, в отрицательном (рис. 6б) направлениях оси Ox.

Когда скорость направлена по оси (рис. 6а) — координата «x» увеличивается,

а когда против оси (рис. 6б) —  координата «x» уменьшается.

Тело перемещается вправо по оси Ox – а) и, влево по оси – б)
Перемещение тела в положительном направлении оси – а) и в отрицательном направлении по оси Ox – б)

На рисунке рядом с прямыми x(t) приведены уравнения движения. Когда скорость направлена против оси (рис. 6б), перед ней записывают знак «минус».

Угол \(\alpha\) на рисунке связан со знаком скорости. Если скорость направлена по оси (рис. 6а), то угол будет острым. А если скорость направлена против оси (рис. 6б) – угол тупой.

Примечание: Скорость – это вектор. Когда вектор направлен против оси, его проекция на эту ось будет отрицательной. Читайте тут о проекциях векторов. Длина любого вектора – это положительная величина.

Как по графику перемещения определить скорость

Пользуясь графиком функций S(t), или x(t) равномерного движения можно определить скорость, с которой движется тело.

Примечания:

  • График S(t) называют так: «зависимость перемещения S от времени t», или кратко — график перемещения от времени.
  • А график x(t) — так: «зависимость координаты x от времени t», или кратко — график координат от времени.

Скорость находим за четыре шага (рис. 7):

  1. Выбираем две точки на линии, описывающей движение и определяем их координаты;
  2. Находим разность вертикальных координат;
  3. После находим разность координат по горизонтали;
  4. Делим «вертикаль» на «горизонталь»

Полученное число и будет скоростью тела.

Примечания:

  • Когда просят найти скорость, обычно имеют ввиду, что нужно найти модуль вектора скорости.
  • Скорость в системе СИ измеряют в метрах, деленных на секунду.

Обращаем внимание на то, в каких единицах на осях измерены расстояние S и время t. Если нужно, переводим расстояние в метры, а время — в секунды, чтобы получить скорость в правильных единицах измерения.

Две точки 1 и 2 на графике выбраны, чтобы из зависимости x(t) найти модуль вектора скорости равномерного прямолинейного движения тела
Рис.7. Две точки 1 и 2 выбраны для того, чтобы по графику x(t) найти скорость равномерного прямолинейного движения тела

Рассмотрим рисунок 7.

На рисунке первая точка имеет координаты \( \left( t_{1} ; x_{1} \right) \),

координаты второй точки: \( \left( t_{2} ; x_{2} \right) \).

Разницы между координатами находим, руководствуясь принципом («конечная» — «начальная») по формулам

\( \Delta t = t_{2} — t_{1} \)

\( \Delta x = x_{2} — x_{1} \)

Скорость вычислим из соотношения

\[ v = \frac{\Delta x}{\Delta t}\]

Читайте далее о том, как переводить скорость из километров в час в метры в секунду и о равнопеременном движении

Ссылка на основную публикацию
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить
Adblock
detector