Przeczytaj
Warto przeczytać
Kiedy opisujemy ruch, używamy różnych wielkości wektorowych. PołożeniePołożenie, prędkośćprędkość i przyspieszenieprzyspieszenie są wektorami – aby je określić nie wystarczy podać ich wartości, ale trzeba także wskazać ich kierunek i zwrot.
Możemy to zrobić na dwa sposoby. Pierwszy polega na tym, że podajemy wartość wektora i opisujemy jego kierunek i zwrot. Na przykład prędkość ciała ma wartość 5 m/s i jest skierowana pionowo w dół.
Możemy także, i to zazwyczaj jest wygodniejszy sposób, wprowadzić układ współrzędnych i wyznaczyć współrzędne wektora w tym układzie. Na przykład, gdybyśmy oś umieścili równolegle do powierzchni Ziemi, a oś skierowali pionowo w górę, wówczas współrzędne opisanego przed chwilą wektora prędkości byłyby następujące:
W równaniach ruchu różne wielkości wektorowe często musimy mnożyć przez wielkości skalarne, a następnie dodawać. Te operacje wykonujemy oddzielnie dla każdego kierunku ruchu, tj. dla każdej współrzędnej. Oznacza to, że zmiany położenia, czy prędkości możemy rozpatrywać oddzielnie, biorąc pod uwagę każdą współrzędną osobno. W ten sposób ruch przedstawiamy jako złożenie ruchów odbywających się wzdłuż każdej z osi układu współrzędnych.
Rozpatrzmy następujący przykład: Stojący na wieży o wysokości 20 m łucznik strzela z łuku, nadając strzale poziomą prędkość o wartości 40 m/s.
Chcąc opisać, w jaki sposób położenie strzały zależy od czasu, musimy zacząć od wprowadzenia układu współrzędnych. Oś umieścimy równolegle do prędkości początkowej strzały, a oś skierujemy pionowo w górę. W tym przykładzie oś nie będzie nam potrzebna, ponieważ ruch strzały będzie się odbywał w płaszczyźnie . Początek układu współrzędnych umieścimy na powierzchni Ziemi, bezpośrednio pod łukiem, z którego łucznik wypuścił strzałę.
W pokazanym na Rys. 2. układzie współrzędnych, początkowe położenie strzały jest punktem o współrzędnych
Wektor początkowego położeniapołożenia strzały ma zatem postać:
a wektor początkowej prędkościprędkości można zapisać jako:
Oczywiście podczas całego ruchu strzała jest przyciągana przez Ziemię, zatem wektor przyspieszeniaprzyspieszenia ma postać:
Wyjaśnijmy, że znak '-' przy drugiej składowej wektora przyspieszenia oznacza, że przyspieszenie ziemskie (o przybliżonej wartości g = 10 m/sIndeks górny 22) jest skierowane przeciwnie do kierunku osi . Pomijamy tutaj wszelkiego rodzaju opory ruchu.
Zależność wektora położeniapołożenia strzały od czasu będzie zatem wyglądać następująco:
gdzie i są nazywane równaniami ruchu i mają postać
Z kolei wektor prędkościprędkości można zapisać jako:
gdzie
Ruch strzały jest zatem złożeniem dwóch ruchów prostoliniowych: ruchu jednostajnegoruchu jednostajnego wzdłuż osi oraz ruchu jednostajnie przyspieszonegoruchu jednostajnie przyspieszonego w kierunku osi .
Z punktu widzenia łucznika najistotniejszą kwestią jest to, czy jego strzała trafi do celu. Dlatego teraz postaramy się wyznaczyć zasięg strzału, tzn. odpowiemy na pytanie, w jakiej odległości od wieży strzała uderzy w ziemię.
Strzała zakończy swój ruch, gdy współrzędna wektora położenia w kierunku osi będzie równa zeru. Stanie się to dla takiej wartości , dla której , tj.
Aby wyznaczyć zasięg strzału, musimy obliczyć, jaka będzie wartość współrzędnej położenia w kierunku osi po tym czasie, tzn. musimy podstawić wartość do wyrażenia . Wykonując to podstawienie, dostajemy
A zatem, jeśli łucznik celował w obiekt znajdujący się 80 m od wieży, jego strzała trafi prosto do celu.
Słowniczek
(ang.: distance) – długość odcinka toru, po jakim porusza się ciało.
(ang.: position or position vector) – (inaczej wektor położenia lub wodzący) wektor określający umiejscowienie ciała w zadanym układzie odniesienia.
(ang.: velocity) – wielkość wektorowa określająca, jak szybko zmienia się położenie ciała w czasie.
(ang.: acceleration) – wielkość wektorowa opisująca, jak szybko w czasie zmienia się wektor prędkości.
(ang.: motion with constant velocity) – ruch, w którym wartość prędkości jest stała.
(ang.: uniformly accelerated motion) – ruch, w którym wektor przyspieszenia ma stałą wartość. W takim ruchu wartość prędkości zmienia się liniowo z czasem.
(ang.: speed) – wielkość skalarna, równa ilorazowi długości toru ruchu (drogi) i czasu, w którym ten tor został pokonany.
(ang.: trajectory) – (inaczej trajektoria) krzywa zakreślana przez poruszające się ciało.