Прямолинейное равноускоренное движение — это прямолинейное движение, при котором скорость тела изменяется (увеличивается или уменьшается) на одну и ту же величину за равные промежутки времени.
Ускорение — физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости тела. То есть, показывает, на какую величину изменяется скорость за единицу времени.
Примеры равноускоренного движения:
- разгон самолета перед взлетом;
- падающая с крыши сосулька;
- торможение лыжника на горном склоне;
- разгоняющийся на склоне сноубордист;
- свободное падение в результате прыжка с парашютом;
- камень брошенный под углом к горизонту;
Равномерное прямолинейное движение является частным случаем равноускоренного движения, при котором ускорение равно нулю.
Равноускоренное движение: формулы
Формула для скорости при равноускоренном движении:
Vк=Vн+at
где: Vк — конечная скорость тела,
Vн — начальная скорость тела,
a=const — ускорение (a>0 при ускорении, a<0 при замедлении)
t — время.
Формула для ускорения при равноускоренном движении:
a=(Vк-Vн)/t
Во время движения тела ускорение остается постоянным.
Задача 1
Кирилл ехал на велосипеде со скоростью 6 м/с, затем начал разгоняться на горке. Чему будет равна его скорость через 10 секунд, если ускорение равно 0,5 м/с?
Решение. Vн=6м/с, ускорение a=0,5м/с, время разгона t=10 секунд.
Получаем: Vн= 6 + 0,5 · 10 = 11 м/с.
Ответ: за 10с Кирилл разгонится до скорости 11 м/с.
Формула расстояния при равноускоренном движении
- Если известны время, скорость начальная и скорость конечная
S = t*(Vн+ Vк)/2
- Если известны время, скорость начальная и ускорение
S = Vнt + at2/2 = t*(Vн + at/2)
где: S — путь, пройденный за время t,
Vн — начальная скорость,
Vк — конечная скорость,
a — ускорение тела,
t — время.
В случае равноускоренного движения с неизвестным временем движения, но с заданными начальной и конечной скоростями пройденный путь можно найти с помощью следующей формулы:
2аS = Vк2−Vн2
где S — путь, пройденный за время t ,
V0 — начальная скорость,
V — скорость в момент времени t,
a — ускорение тела.
Задача 2
Таксист получил заказ и начал движение с ускорением 0,1 м/с2. На каком расстоянии от начала движения его скорость станет равной 15м/с?
Решение. Так как таксист начал движение, начальная скорость равна нулю (Vн=0), Vк=15м/с, ускорение a=0,1м/с2.
Получаем:
S = 15^2 — 0^2 =1125 м.
Ответ: на расстоянии 1 125 м от начала движения скорость такси станет равной 15 м/с.
Перемещение при равноускоренном движении
Важно напомнить разницу между путем и перемещением тела.
- Путь — длина траектории. Если тело движется в любом направлении, то его путь увеличивается. Путь — всегда положительное значение.
- Перемещение — вектор, соединяющий начальное и конечное положение тела. Проекция перемещения может принимать отрицательное значение.
Например, если путник прошел в одну сторону расстояние S1, а обратно — S2, то: путь тела равен S1 + S2, а перемещение равно S1 − S2. В некоторых задачах путь и перемещение могут совпадать, но не всегда.
Равноускоренное движение: графически
График зависимости ускорения от времени:
Во время движения тела ускорение остается постоянным.
Взаимосвязь скорости, времени и расстояния:
На рисунке показан график, в котором скорость равномерно увеличивается.
С помощью графика скорости можно определить ускорение тела как тангенс угла наклона графика к оси времени.
Из графика скорости получим формулу пути при равноускоренном движении тела.
Пройденный телом путь при равноускоренном движении численно равен площади фигуры под графиком зависимости скорости от времени. Вычислим площадь трапеции как сумму площадей прямоугольника Vнt и треугольника at2/2. Получим: S = Vнt + at2/2.
Математически зависимость координаты от времени при равноускоренном движении представляет собой квадратичную функцию, ее график — парабола.
Задача 3
Лыжник подъехал со скоростью 3 м/с к спуску длиной 36 м и съехал с него за несколько секунд, при этом его конечная скорость составила 15 м/с. Определите местонахождение лыжника спустя 2с после начала движения из начала координат.
Дано:
Vн = 3 м/с, начальная координата (t) равна нулю,
Vк = 15м/с,
a — скорость лыжника увеличивается, поэтому ускорение — положительное число,
S = 36м — путь с горы,
t — 2с.
Решение:
Найдем ускорение из формулы пути при равноускоренном движении: 2аS = Vк2−Vн2
Получим: а = (Vк2−Vн2 )/2S = (225-9)/(2*36) = 3 м/с2.
Составим уравнение движения лыжника исходя из формулы: S = Vнt + at2/2.
Получаем: x(t) = 3t + 1,5t2
По уравнению определим координату лыжника в момент времени t = 2с:
Получаем: x(2) = 3*2 + 1,5*22 =6+6=12 м.
Ответ: через 2 с после начала движения координата лыжника будет равна 12 м.
Для того, чтобы проверить правильность решения задач на равноускоренное движение, воспользуйтесь калькулятором равноускоренного движения.
Для того, чтобы перевести единицы измерения, воспользуйтесь конвертерами единиц измерения:
- Конвертер единиц измерения расстояния (длины)
- Конвертер единиц измерения скорости
- Конвертер единиц измерения времени
Равноускоренное движение в поле тяжести Земли. На рисунке видно, что перемещение складывается из прямолинейного равномерного движения и свободного падения
Равноуско́ренное движе́ние — движение тела, при котором его ускорение постоянно по модулю и направлению[1].
Скорость при этом определяется формулой
- ,
где — начальная скорость тела, — время. Траектория имеет вид участка параболы или прямой.
Примером такого движения является полёт камня, брошенного под углом к горизонту в однородном поле силы тяжести: камень летит с постоянным ускорением , направленным вертикально вниз.
Частным случаем равноускоренного движения является равнозамедленное, когда векторы и противонаправлены, а модуль скорости равномерно уменьшается со временем (в примере с камнем реализуется для при подъёме).
Характер равноускоренного движения[править | править код]
Равноускоренное движение происходит в плоскости, содержащей векторы ускорения и начальной скорости . С учётом того, что (здесь — радиус-вектор), траектория описывается выражением
- .
На заданном интервале времени она представляет собой участок параболы, который при параллельности (то есть со или противо- направленности) векторов и превращается в отрезок прямой.
Для каждой из координат, скажем , могут быть записаны аналогичные по структуре выражения:
- ,
где — составляющая ускорения вдоль оси , а — радиус-вектор материальной точки в момент (, , — орты).
В примере с камнем , компоненты ускорения , , начальной скорости , , , при этом , а значит, .
Перемещение и скорость[править | править код]
В случае равноускоренного движения любая из компонент скорости, например , зависит от времени линейно:
- .
При этом имеет место следующая связь между перемещением () вдоль координаты и скоростью вдоль той же координаты:
- .
Отсюда можно получить выражение для -составляющей конечной скорости тела при известных -составляющих начальной скорости и ускорения:
- .
Если , то , а .
Выражения для смещений , и компонент скорости вдоль координат и принимают точно такой же вид, как для и , но символ всюду заменяется на или .
Суммарно, по теореме Пифагора, перемещение составит
- ,
а модуль конечной скорости находится как
- .
Равноускоренное движение не может происходить неограниченно долго: это означало бы, что, начиная с какого-то момента времени , модуль скорости тела превысит величину скорости света в вакууме , что исключается теорией относительности.
Условие осуществления[править | править код]
Равноускоренное движение реализуется при действии на тело (материальную точку) постоянной силы , обычно в однородном гравитационном или электростатическом поле, если величина скорости тела значительно меньше, чем скорость света . Тогда, по второму закону Ньютона, ускорение составит
где через обозначена масса тела. В примере с камнем роль играет сила тяжести.
Если же скорость тела сопоставима со скоростью света, то закон Ньютона в выписанном виде неприменим. При этом, в случае действия постоянной силы, происходит так называемое релятивистски равноускоренное движение, при котором постоянно только собственное ускорение, а ускорение в фиксированной ИСО приближается к нулю со временем по мере приближения величины скорости к её пределу .
Теорема о кинетической энергии точки[править | править код]
Формула перемещения при равноускоренном движении используется при доказательстве теоремы о кинетической энергии. Для этого необходимо перенести ускорение в левую часть и домножить обе части на массу тела:
- .
Записав аналогичные соотношения для координат и и просуммировав все три равенства, получим соотношение:
- .
Слева стоит работа постоянной равнодействующей силы , а справа — разность кинетических энергий в конечный и начальный моменты движения. Полученная формула представляет собой математическое выражение теоремы о кинетической энергии точки для случая равноускоренного движения[2].
Равнопеременное движение[править | править код]
Равнопеременным называется движение, при котором тангенциальная (параллельная скорости) составляющая ускорения постоянна[3]. Такое движение не является равноускоренным, кроме ситуации, когда оно происходит по прямой, но в математическом плане может быть рассмотрено аналогично.
В этом случае вводится обобщённая координата , часто называемая путём, соответствущая длине пройденной траектории (длине дуги кривой). Таким образом, формула приобретает вид:
- ,
где — тангенциальное ускорение, «отвечающее» за изменение модуля скорости тела. Для скорости получаем:
- .
При имеем движение с постоянной по модулю скоростью.
Иногда прилагательное равнопеременное заменяют на криволинейное равноускоренное, что вносит путаницу, так как, скажем, равноускоренное движение камня по кривой (параболе) в поле тяжести не равнопеременное.
См. также[править | править код]
- Релятивистски равноускоренное движение
Примечания[править | править код]
- ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит, 2005. — Т. I. Механика. — С. 37. — 560 с. — ISBN 5-9221-0225-7.
- ↑ Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. — 11-е изд. — М.: «Высшая школа», 1995. — С. 214. — 416 с. — ISBN 5-06-003117-9.
- ↑ См. Физический энциклопедический словарь — М.: Советская энциклопедия, под. ред. А. М. Прохорова (1983), статья «Равнопеременное движение», стр. 602.
Определение
Равноускоренным движением называется движение при котором скорость за одинаковое время изменяется на одно и то же значение. В физике это самый простой вид движения с ускорением.
К примерам движения тела с постоянным ускорением можно отнести падение камня с обрыва, полёт гранаты, после выстрела из гранатомёта, скатывание санок с горы. Равномерное движение можно считать частным случаем равноускоренного, при котором ускорение всегда остаётся равным нулю.
Давайте подробно рассмотрим движение тела под действием постоянного поля силы тяжести вблизи земли. Пусть оно будет брошено под углом к горизонту. Это одновременно и равномерное и равноускоренное движение. Равномерное – по горизонтали (оси X), равноускоренное – по вертикали (оси Y). Сопротивлением воздуха, влиянием на движение вращения Земли и другими подобными факторами пренебрегаем.
В каждой точке пути на тело действует постоянное ускорение g. Оно не меняется ни по величине, ни по направлению.
Основные формулы равноускоренного движения и график равноускоренного движения
Формула
Скорость при равноускоренном движении тела вычисляется с помощью выражения:
[v=v0+at];
[v0 – text { начальная скорость тела; }]
[a=const – text { —ускорение; }]
Ускорение здесь определяется, как угол наклона графика скорости. Посмотрите на треугольник ABC.
a=(v-v0)/t=BC/AC.
Чем больше угол β, тем более наклонно выглядит график ускорения по отношению к оси времени. Следовательно, тем большее значение имеет ускорение тела.
Для первого из графиков положим V0=-2м/с. a=0,5м/с².
Для второго графика положим V0=3м/с. a=(-1/3)м/с².
Указанный график позволяет понять многие зависимости равноускоренного движения и вычислить его основные параметры при проецировании на направление движения. Сначала нужно выделить на графике крохотный отрезок времени Δt. Будем считать его настолько коротким, что движение на нём можно принять за равномерное со значением скорости равным скорости в середине указанного временного промежутка. Тогда, перемещение Δs за Δt можно принять равным Δs=vΔt. Заштрихованная область на первом из графиков.
Разделим всё время движения тела на такие бесконечно короткие промежутки Δt. Перемещение s за указанное время t будет равняться площади трапеции обозначаемой ODEF.
S=(|OD|+|EF|/2)*OF|= [(v+v0)/2]*t =[2v0+(v-v0)]*t/2;
Как известно, v-v0=at, исходя из этого окончательная формула равноускоренного движения выглядит следующим образом:
S=v0*t+at²/2
Чтобы узнать, какой будет координата тела в любое время его движения, к начальной координате следует ещё вписать перемещение. Изменение координаты в зависимости от времени есть закон равноускоренного движения по оси Y:
Y=y0+v0*t+at²/2.
Нет времени решать самому?
Наши эксперты помогут!
Закон равноускоренного движения
Формула
[Y=y0+v0*t+at²/2];
Из него видна зависимость равноускоренного движения от начального положения и начальной скорости тела. Если то и другое равно нулю, график равноускоренного движения приобретает вид параболы, пересекающей начало координат и обращённой своими ветвями вниз. Само движение при этом будет происходить по прямой вертикальной линии. Выражение станет законом равноускоренного прямолинейного движения.
S=at²/2
Это самый простой класс равноускоренного движения. Вектор скорости тела в нём всегда направлен по оси Y, меняет только свой знак. С формулами равноускоренного прямолинейного движения работать легче всего, поэтому при решении задач нужно стараться выбрать систему отсчёта именно таким образом.
Подставляя разные начальные значения скорости и координаты, меняя знак ускорения, можно получить самые разные значения. Вы спросите –«Зачем менять знак ускорения? Оно ведь всегда постоянно и направлено точно вниз.» При решении задач, чтобы найти равноускоренное движение, часто бывает удобно изменить направление оси Y, вместе с этим меняется и знак ускорения, оно становится положительным.
Как найти равноускоренное движение тела, если неизвестно время
Часто возникает задача нахождения координаты тела при заданной начальной скорости движения тела, конечной скорости его движения и ускорении, но не заданном времени. Как быть в этой ситуации.
Рассмотрим уравнения:
v=v0+at;
S=v0*t+at²/2
Как систему уравнений. Для её решения, нужно исключить переменную t.
Сначала находим t из первого уравнения
t=(v-v0)/a
Затем подставляем его в выражение для перемещения. В результате получаем уравнение равноускоренного движения, не содержащее время.
s=[v²- (v0)²]/2a
Из данного выражения уже достаточно легко вычислить скорость. Она равна:
V=√(v0)²-2as
При v0=0 s=v²/2a и v=√2as
Содержание:
Прямолинейное равноускоренное движение:
Движение с изменяющейся скоростью называют неравномерным. Простейшим видом неравномерного движения является прямолинейное движение с постоянным ускорением, т. е. прямолинейное равноускоренное движение. Впервые такое движение выделил и исследовал Галилей.
Равноускоренным называется движение, при котором скорость тела (МТ) за любые равные промежутки времени изменяется одинаково.
Ускорением
В СИ основной единицей ускорения является метр в секунду за секунду
При прямолинейном равноускоренном движении ускорение равно отношению изменения скорости к промежутку времени за который это изменение произошло:
где — начальная скорость (в момент времени — скорость в момент времени t.
При таком движении ускорение тела (МТ) всегда равно ее среднему ускорению:
Кинематические уравнения равноускоренного движения имеют вид:
При прямолинейном равноускоренном движении тела (МТ) вдоль оси Ох зависимость координаты от времени выражается уравнением
Если уравнения (3), (5) принимают вид:
Поскольку ускорение при прямолинейном равноускоренном движении постоянно то график зависимости проекции ускорения от времени представляет собой отрезок прямой линии, параллельной оси времени Ot (рис. 16).
В случае, когда проекция ускорения положительна отрезок прямой проходит выше оси времени (график 1 на рисунке 16). В противном случае отрезок прямой проходит ниже оси времени (график 2 на рисунке 16).
График зависимости проекции скорости от времени представляет собой линейную функцию (рис. 17). Тангенс угла наклона (tga) этой прямой численно равен проекции ускорения движения:
Если проекция скорости на выбранную ось Ох положительна то угол — острый (угол на рисунке 17), а если отрицательна — тупой (угол на рисунке 17).
График зависимости координаты от времени x(t) при прямолинейном равноускоренном движении представляет собой ветвь параболы (рис. 18). Проекция скорости тела в момент времени численно равна тангенсу угла наклона tga касательной к оси абсцисс.
Подчеркнем, что в процессе движения путь, пройденный материальной точкой, все время увеличивается, в то время как проекция перемещения (координата) может уменьшаться. Вследствие этого график зависимости пути от времени s(t) будет совпадать с графиком зависимости координаты от времени х(t) (рис. 19) на тех участках, где координата увеличивается (см. участок от начала координат до точки В на рисунке).
Соответственно, на тех участках, где координата уменьшается, график зависимости пути от времени является «зеркальным» отражением кривой х(t) от горизонтальной плоскости, проходящей через точку, с которой началось уменьшение координаты (см. точку В на рисунке).
Так как зависимость проекции скорости прямолинейного движения тела вдоль оси Ох от времени является линейной функцией, то проекция средней скорости движения тела при прямолинейном равноускоренном движении равна среднему арифметическому его начальной и конечной проекций скоростей:
Соответственно, в этом случае проекция перемещения на ось Ох (путь)
численно равна площади закрашенной трапеции (рис. 20).
Исключая время t из уравнений прямолинейного равноускоренного движения для скорости v(t) и координаты x(t), можно получить еще одну часто используемую формулу
Прибор для измерения ускорения называется акселерометром.
Примером равноускоренного прямолинейного движения является свободное падение тел, при котором на тело действует только сила тяжести, и оно движется с ускорением где — ускорение свободного падения.
Если ось Оу направлена вертикально вверх, а ось Ох — вдоль поверхности Земли (рис. 21), то движение тела (МТ), брошенного вертикально вверх со скоростью описывается формулами:
В случае, когда зависимости проекции скорости и координаты от времени принимают соответственно вид:
Время подъема тела (МТ) на максимальную высоту, на которой можно
Скорость в момент возвращения тела (МТ) в исходную точку О определяется по формуле и она равна начальной скорости так как время подъема тела (МТ) равно времени его падения
Докажите самостоятельно, что без учета сопротивления воздуха время подъема тела (МТ) равно времени его падения.
Высоту подъема h тела (МТ) (см. рис. 21) за промежуток времени можно определить из соотношения
Максимальная высота подъема тела (МТ) определяется по формуле
Модуль скорости на высоте h (см. рис. 21) можно найти ио формуле
При движении тела (МТ) из начальной точки с начальной скоростью направленной вертикально вниз (рис. 22), его скорость в произвольный момент времени
Пройденный телом (МТ) путь s определяется по формуле
Скорость в конце пути s:
Падение тел с высоты Н без начальной скорости представляет собой частный случай прямолинейного равноускоренного движения. При выборе оси Оу, направленной вертикально вниз скорость в любой момент времена находится из соотношения
При то скорость v = gt.
Координата у и пройденный путь s определяются соответственно по формулам:
Продолжительность свободного падения с высоты Н:
Скорость тела при свободном падении с высоты Н:
Равноускоренное движение
Прямолинейное равномерное движение, то есть движение с постоянной скоростью, -редкое явление в окружающей среде. Значительно чаще придется иметь дело с такими движениями, в которых скорость не является постоянной, а со временем изменяется. Такие движения называют неравномерными.
На всех современных транспортных средствах устанавливают специальные приборы -спидометры (рис. 266), показывающие значение скорости в данный момент времени.
Понятно, что по спидометру нельзя определить направление скорости. Для некоторых средств транспорта, например для морских кораблей и самолетов, необходимо знать также направление скорости движения. Тогда, кроме спидометра, устанавливают еще и другие навигационные приборы, в самом простом случае – компас.
Следовательно, теперь мы знаем, что при неравномерном движении скорость движения тела не является постоянной величиной и в разные моменты времени имеет свое направление и значение.
Для упрощения будем рассматривать такое неравномерное движение, при котором скорость движения тела за каждую единицу времени и вообще за любые равные интервалы времени изменяется одинаково. Такое движение называют равноускоренным.
Движение тела, при котором его скорость за любые равные интервалы времени изменяется одинаково, называют равноускоренным движением.
Во время такого движения скорость может изменяться.
Если за некоторый интервал времени приращение скорости равен то за удвоенный интервал времени приращение скорости будет удвоенным – за утроенный интервал времени З он будет утроенным – и т. д.
При этом если значение изменить, то новому будет соответствовать уже другое значение , но отношение приращения скорости к
приращению времени будет таким же, как и раньше. Следовательно, в
данном равноускоренном прямолинейном движении отношение неизменно, инвариантно относительно выбора интервала времени At.
Вектор , который является постоянным для каждого данного прямолинейного равноускоренного движения, характеризует изменение скорости тела за единицу времени. Эта векторная величина – основная характеристика равноускоренного движения, которую называют ускорением и обозначают буквой
Ускорением тела в его равноускоренном прямолинейном движении называют векторную физическую величину, характеризующую изменение скорости за единицу времени и равную отношению изменения скорости движения тела к интервалу времени, за которое это изменение произошло:
Из определения равноускоренного движения следует, что его ускорение является постоянной величиной
Если в выбранный начальный момент времени t = 0 скорость движения тела равна , а в момент времени t – , то имеем Тогда рассмотренная выше формула имеет вид:
где – ускорение движения тела; – начальная скорость движения тела; – его конечная скорость движения; t – время, за которое это изменение происходило.
Как видно из этой формулы, за единицу ускорения следует взять ускорение такого прямолинейного равноускоренного движения, при котором за единицу времени скорость изменяется также на единицу. И это означает: ускорение равно единице, если за 1 с скорость движения тела изменяется на Следовательно, единицей ускорения в СИ является 1 м/с2.
Равноускоренное движение может быть ускоренным или замедленным. Рассмотрим ускорение и скорость равноускоренного движения в проекциях на ось Ох (рис. 267), тогда ускорение будет приобретать вид:
Если то есть скорость движения тела увеличивается (рис. 267, а), тогда модуль ускорения а его вектор совпадает с направлением движения, то это движение называют равноускоренным.
Если тогда модуль ускорения а его вектор противоположный по направлению движения, то такое движение называют равнозамедленным.
Вам уже известно, как графически изображается равномерное прямолинейное движение тела. Попробуем аналогично представить графически равноускоренное прямолинейное движение.
- Заказать решение задач по физике
Графики равномерного прямолинейного движения тела
Рассмотрим график проекции ускорения движения тела Если вспомнить график проекции скорости тела в равномерном прямолинейном движении, где v = const, и сравнить его со случаем, когда = const, то становится понятно, что эти графики идентичны. Поэтому графиком зависимости проекции ускорения движения тела от времени будет тоже прямая, параллельная оси времени t. В зависимости от значения проекции ускорения – положительная она или отрицательная -прямая расположена или над осью, или под ней (рис. 268).
График проекции скорости движения тела Из кинематического уравнения видно, что зависимость проекции скорости движения тела от времени является линейной, как и в уравнении равномерного прямолинейного движения. Тогда остается только проанализировать его для нашего случая. В зависимости от значений проекций ускорения и начальной скорости движения тела график будет иметь разный вид (рис. 269), в частности:
Если то прямая будет выходить с начала координат и, в зависимости от значения проекции ускорения движения тела, будет направлена вверх или вниз Наклон прямых зависит от значения проекции ускорения: чем больше ускорение движения тела, тем круче подымается или убывает график.
График движения тела х = x(t). Кинематические уравнения движения являются квадратичной функцией вида
Поэтому графиком зависимости координаты тела от времени является парабола, ветви которой согласно параметрам движения имеют разное направление. Например, если то график имеет вид, изображенный на рисунке 270, а. Если то вершина параболы смещается по оси ординат вверх или вниз, в зависимости от значения
Если то ветви параболы направлены вниз (рис. 270, б) и смещение вершины параболы вверх или вниз по оси ординат также зависит от значения
Если (рис. 271), то вершина параболы смещается в точку, координаты которой определяются соотношениями:
- Сложение скоростей
- Ускорение в физике
- Скорость при равнопеременном движении
- Перемещение, координата и путь при равнопеременном движении
- Проекция вектора на ось
- Путь и перемещение
- Равномерное прямолинейное движение
- Прямолинейное неравномерное движение