Скорость – это количественная характеристика движения тела.
Средняя скорость – это физическая величина, равная отношению вектора перемещения точки к промежутку времени Δt, за который произошло это перемещение. Направление вектора средней скорости совпадает с направлением вектора перемещения Средняя скорость определяется по формуле:
Мгновенная скорость , то есть скорость в данный момент времени – это физическая величина, равная пределу, к которому стремится средняя скорость при бесконечном уменьшении промежутка времени Δt:
Иными словами, мгновенная скорость в данный момент времени – это отношение очень малого перемещения к очень малому промежутку времени, за который это перемещение произошло.
Вектор мгновенной скорости направлен по касательной к траектории движения тела (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Вектор мгновенной скорости.
В системе СИ скорость измеряется в метрах в секунду, то есть единицей скорости принято считать скорость такого равномерного прямолинейного движения, при котором за одну секунду тело проходит путь в один метр. Единица измерения скорости обозначается м/с . Часто скорость измеряют в других единицах. Например, при измерении скорости автомобиля, поезда и т.п. обычно используется единица измерения километр в час:
1 км/ч = 1000 м / 3600 с = 1 м / 3,6 с
1 м/с = 3600 км / 1000 ч = 3,6 км/ч
Сложение скоростей
Скорости движения тела в различных системах отсчёта связывает между собой классический закон сложения скоростей .
Скорость тела относительно неподвижной системы отсчёта равна сумме скоростей тела в подвижной системе отсчёта и самой подвижной системы отсчёта относительно неподвижной.
Например, пассажирский поезд движется по железной дороге со скоростью 60 км/ч. По вагону этого поезда идет человек со скоростью 5 км/ч. Если считать железную дорогу неподвижной и принять её за систему отсчёта, то скорость человека относительно системы отсчёта (то есть относительно железной дороги), будет равна сложению скоростей поезда и человека, то есть
60 + 5 = 65, если человек идёт в том же направлении, что и поезд
60 – 5 = 55, если человек и поезд движутся в разных направлениях
Однако это справедливо только в том случае, если человек и поезд движутся по одной линии. Если же человек будет двигаться под углом, то придётся учитывать этот угол, вспомнив о том, что скорость – это векторная величина .
А теперь рассмотрим описанный выше пример более подробно – с деталями и картинками.
Итак, в нашем случае железная дорога – это неподвижная система отсчёта . Поезд, который движется по этой дороге – это подвижная система отсчёта . Вагон, по которому идёт человек, является частью поезда.
Свяжем с неподвижной системой отсчёта (рис. 1.7) систему координат ХОY, а с подвижной системой отсчёта – систему координат X П О П Y П (см. также раздел Система отсчёта). А теперь попробуем найти скорость человека относительно неподвижной системы отсчёта, то есть относительно железной дороги.
Это закон сложения перемещений . В нашем примере перемещение человека относительно железной дороги равно сумме перемещений человека относительно вагона и вагона относительно железной дороги.
Рис. 1.7. Закон сложения перемещений.
Это закон сложения скоростей :
Скорость тела относительно неподвижной системы отсчёта равна сумме скоростей тела в подвижной системе отсчёта и скорости самой подвижной системы отсчёта относительно неподвижной.
Пример 1
Например, автомобиль движется по дороге и в нем находятся люди. Они осуществляют движение вместе с транспортом по трассе. То есть люди передвигаются в пространстве относительно дороги, но относительно самой машины люди не движутся.
Из этого примера видно, что, изначально необходимо определить тело, рассматриваемое в движении, которое в наук называют точкой отсчета. Система координат тесно взаимосвязана с методикой измерения времени, что в результате создают концепцию отсчета.
В основном местоположение тела задается координатой. Проанализируем один пример: размеры станции, находящейся на орбите возле Земли, можно не принимать во внимание, а рассчитывать только траекторию перемещение космического корабля во время стыковки со станцией. Таким образом, размерами физических элементов возможно пренебречь, а иногда - тело считают материальной точкой. Линию, по которой перемещается данная величина, именуют траекторией, длину которой называют путем. Единица пути - метр (м). Механическое движение характеризуется тремя физиологическими величинами: скоростью, перемещением, и ускорением.
Понятие скорости механического движения
Определение 2
Скорость – физическая величина, которая равна перемещению тела к интервалу времени, в течение которого это взаимодействие произошло.
Механическое движение оценивается еще и тем, как быстро перемещается тело (точка). Это и есть скорость движения. Скорость представляет собой понятие векторной величины. Для того, чтобы в полном объеме задать ее, необходимо установить непосредственно направление и величину скорости, вдоль которых она была изначально замерена. Как правило скорость элементов рассматривают по траектории движения. В таком случае величина исследуемого объекта обусловливается как путь, пройденный за одну единицу времени. Другими словами, для нахождения правильного коэффициента траектории движения, путь тела надо разделить на время, в течение которого он был пройден.
Определение 3
Мгновенная скорость – это скорость точки в конкретный момент времени или в определенной точке траектории.
Это векторная физическая величина, численно равная пределу, к которому устремляется средняя скорость за очень малый промежуток времени. Указанная траектория является первой производной от вектора в соответствии с временем. Вектор моментальной скорости определяется по касательной к линии движения тела в сторону его дальнейшего перемещения.
Эта величина дает точное представление о движении объекта в данный момент времени.
Например, во время поездки в автомобиле в определенный момент времени водитель смотрит на спидометр и видит, что на табло 100 км/ч. Затем стрелка указывает на 90 км/ч, а спустя пару минут – 110 км/ч.
Замечание 1
Значением мгновенной скорости транспорта в определенные моменты времени являются полученные показания прибора.
Имеется ли физический смысл в понятии «мгновенной скорости»? Данный термин характеризуется изменением перемещения элементов в пространстве. Но, чтобы узнать, как изменилось его расположение, следует наблюдать за движением в течение определенного периода времени.
Даже самые современные приборы для замера скорости измеряют движение за конкретный отрезок времени – конечный временной интервал. Определение «скорость тела на данный момент» не считается корректным с точки зрения физики. Однако, именно этот тезис очень удобен в математических расчетах, поэтому им пользуются постоянно.
Закон сложения скоростей
Скорость любого физического тела относительно неподвижной концепции отсчета всегда равна векторной сумме перемещения элементов относительно подвижной системы. Эта теория помогает точно определить расположение объекта в конкретный период времени.
Для понимания указанного закона необходимо рассмотреть две системы отсчета, одна из которых связана с неподвижной точкой отсчёта $O$. Обозначим данную концепцию $K$, которая будет называться неподвижной.
Вторая система, обозначаемая $K’$ и перемещающаяся относительно тела $O$ со скоростью $ \bar{u}$ - будет считаться движущейся.
Необходимо понимать, что скорость является векторной величиной. По траектории движения возможно определить только направление скорости вектора. Вектор скорости направлен по касательной к траектории, по которой проходит тело, что движется на данный момент.
Отрицательная скорость
Замечание 2
Скорость тела может быть отрицательной в случае, когда тело движется в противоположном направлении от оси координат в выбранной системе отсчета.
Ученый из Великобритании, Роберта Бойд смог присвоить пучку света «отрицательную» скорость, при которой пик импульса продвигался к источнику, а не от него. Интересно, если менять среду специальным образом и пропускать через нее через свет, возможно легко управлять скоростью светового импульса - "замораживая" или замедлять его в десятки тысяч раз, а то и вовсе останавливать.
В этом аспекте речь идет о групповой скорости, которая определяет скорость распространения одного пучка импульса света. Из-за рассеивания этот элемент может передвигаться на несколько порядков медленнее, чем каждый фотон в отдельности, и наоборот -стремительнее скорости света в вакууме.
В данном случае речь не идет о нарушении законов природы, потому как самые первые фотоны в импульсе добегают до конца, не «быстрее света». В случае же остановки светового пучка необходимо говорить о поглощении импульса подготовленной средой с повторным излучением. При этом сохраняются все важные параметры исходного объекта, «до последнего фотона».
Проделаем опыт. Установим на тележку капельницу (рис. 11). Из капельницы через одинаковые промежутки времени падают капли окрашенной жидкости. Если присоединить к тележке груз (как это показано на рисунке 11), то при определенной его величине расстояния между следами, оставленными каплями на бумаге (при движении тележки), могут оказаться равными. Это означает, что тележка за одинаковые промежутки времени проходит равные пути. Повернув кран капельницы так, чтобы капли падали чаще, повторим опыт. Следы капель и в этом случае оказываются на равных расстояниях друг от друга, хотя и меньших, чем в первом опыте. А это значит, что и за меньшие одинаковые промежутки времени тележка проходит одинаковые пути.
Если какое-нибудь тело за любые равные промежутки времени проходит одинаковые пути, то его движение называют равномерным .
Быстроту движения характеризуют физической величиной, называемой скоростью. Известно, что самолет движется быстрее автомобиля, а искусственный спутник Земли - быстрее самолета.
Скорость тела при равномерном движении показывает, какой путь проходит тело за единицу времени. Например, если за каждый час пешеход проходит 3 км, а самолет пролетает 900 км, то говорят, что скорость пешехода 3 км/ч, а скорость самолета 900 км/ч.
Если же известно, что тот же пешеход за каждые два часа проходит 6 км, то, для того чтобы узнать, какой путь он проходит за 1 ч, следует эти 6 км разделить на 2 ч. При этом мы снова получим 3 км/ч.
Итак, чтобы определить скорость тела при равномерном движении, надо пройденный телом путь разделить на время движения , т. е.
Обозначим все величины, входящие в это выражение, латинскими буквами:
s - путь, v - скорость, t - время.
Тогда формулу для нахождения скорости можно представить в следующем виде:
В СИ за единицу скорости принимают скорость такого равномерного движения, при котором движущееся тело за 1 с походит путь, равный 1 м. Эту единицу обозначают или 1 м/с (читается "метр в секунду").
На практике часто применяют другую единицу скорости: 1 км/ч. Найдем связь между разными единицами скорости. Так как 1 км = 1000 м, а 1 ч = 60 мин = 3600 с, то мы можем записать:
Рассмотрим пример. Пусть требуется выразить скорость самолета, равную 720 км/ч, в метрах в секунду. Переводя километры в метры, а час в секунды, получаем
При равномерном движении числовое значение скорости не изменяется. Если, например, скорость тела равна 60 км/ч, то это значение будет оставаться таким же на протяжении всего времени движения.
Но, кроме своего числового значения, скорость имеет и свое направление. Поэтому на рисунках скорость тела изображают в виде стрелки (рис. 12). Стрелка указывает направление скорости (а следовательно, и движения) тела.
Величины, имеющие направление в пространстве, называют векторными величинами или просто векторами . Скорость - величина векторная. Векторной величиной, как мы увидим позже, является также сила. С другой стороны, такие величины, как масса, путь, объем, векторами не являются: они не имеют направления в пространстве и характеризуются лишь числовым значением.
В таблице 2 приведены значения некоторых скоростей, встречающихся в природе.
Таблица 2
Скорости движения, м/с
Не все указанные в таблице 2 движения являются равномерными. Лишь звук, свет и радиоволны при определенных условиях распространяются с постоянной скоростью. Скорости остальных тел меняются в процессе движения. Поэтому для них указаны средние или наибольшие значения, которые могут быть достигнуты этими телами.
Движения, при которых скорость тела на разных участках траектории различна, называются неравномерными .
Неравномерные движения характеризуют средней скоростью . Средняя скорость неравномерного движения находится так же, как и скорость равномерного движения, т. е. пройденный телом путь делится на время движения: Только полученное при этом значение может не совпадать со скоростью движения тела на отдельных участках траектории. При неравномерном движении тело на одних участках имеет меньшую скорость, на других - большую. Например, поезд, отходящий от станции, начинает двигаться все быстрее и быстрее. Подъезжая к станции, он, наоборот, замедляет свое движение.
Лишь при равномерном движении скорость тела на протяжении всей траектории имеет неизменное числовое значение.
Зная скорость и время равномерного движения тела, можно вычислить пройденный телом путь. Из формулы (6.1) следует, что
(6.2)
Итак, чтобы найти путь, пройденный при равномерном движении, надо скорость тела умножить на время движения
.
Если же известны путь и скорость, то можно найти время движения. Из формулы (6.2) получаем
(6.3)
Итак, чтобы найти время движения, надо путь, пройденный телом, разделить на его скорость
.
1. Какое движение называют равномерным? 2. Что показывает скорость равномерного движения? 3. Как определяется скорость при равномерном движении? 4. Как находится пройденный путь, если известны скорость и время движения? 5. Как находится время движения, если известны путь и скорость движения? 6. Какое движение называют неравномерным? 7. Как нужно изменить условия опыта, изображенного на рисунке 11, чтобы движение тележки стало неравномерным? Как при этом изменятся расстояния между следами, оставляемыми падающими каплями? 8. Как находится средняя скорость? 9. Какие величины называют векторными? Как их изображают на рисунках?
Экспериментальные задания.
1. Определите среднюю скорость, с которой вы пробегаете 100 м. 2. Если у вас дома есть игрушечный заводной автомобиль, то, сделав необходимые измерения, найдите среднюю скорость, с которой он перемещается. Результаты измерений и вычислений запишите в тетрадь.
Самым распространённым определением скорости является ее как скорости движения тела. В данном контексте рассматривается изменение координаты положения тела в единицу времени. Таким образом, нестрогое определение скорости тела – это расстояние, которое преодолевает тело за единицу времени. Однако известно, что скорость тела измеряется не в метрах, например, и не в километрах, а, скорее, в метрах в секунду или километрах в час, несмотря на то, что определение гласит, что скорость – это расстояние. Дело в том, что чисто математически, для того чтобы найти расстояние, проходимое телом за единицу времени, необходимо разделить общее расстояние, пройденное телом, на время, за которое данное расстояние было преодолено. То есть метры делятся на секунды. Отсюда и получается такая единица измерения.
Однако вышеуказанное определение скорости, как уже говорилось, нестрогое. Дело в том, что в случае, если за разные промежутки времени тело проходит разные расстояния, деление общего расстояния на общее время даст только среднюю скорость. Моментальное же значение скорости подразумевает нахождение производной функции расстояния от времени. Таким образом, для понимания строгого определения скорости тела необходимо понимать математическое определение производной функции.
Скорость в математике
Понятие скорости в связано со скоростью спада какой-либо функции в данной точке. А скорость спада функции определяется ее производной. Если речь идет о скорости движения тела, то под рассматриваемой функцией подразумевается расстояние, пройденное телом.
Итак, производная функции – это предел отношения приращения функции к приращению аргумента, когда приращение аргумента стремится к нулю. Фактически, данное определение отличается от нестрогого определения скорости только наличием предела. Поэтому, чтобы найти точное значение скорости движения тела в данный момент времени, необходимо разделить промежуток расстояния на соответствующий ему промежуток времени, а после – устремить промежуток времени к нулю, тогда полученное значение отношения даст точное текущее значение скорости.
Другие понятия скорости в физике
На самом деле, как уже говорилось выше, скорость движения тела – это всего лишь частный случай в определении понятия скорости. Если заменить расстояние на любую другую физически обоснованную величину, то можно будет получить скорость изменения данной величины в единицу времени.
Как вы думаете, кто двигается быстрее агроном Васечкин, автомобиль Renault или самолет Боинг? Кто из них быстрее доберется от Москвы до Краснодара? Ответ очевиден Renault быстрее Васечкина, но медленнее Боинга.
То есть мы не только знаем, как двигаются разные объекты, но и можем сравнить их скорости. А что такое скорость в физике? Как найти скорость тела, и что такое единицы измерения скорости?
Скорость в физике: как найти скорость?
В 7 классе на уроках физики вводят понятие скорости. Без сомнения, все школьники к этому моменту уже знакомы с этим словом и представляют, что оно означает.
- А также знают, что скорость измеряется в км/ч и обозначается буквой V.
Но объяснить, что же такое скорость в физике, каковы единицы скорости, связно вряд ли смогут. Именно потому это простое, казалось бы, понятие требует пояснений и разбора.
В физике быстроту движения Васечкина, Renault и Боинга называют скоростью их движения. И скорость эта характеризует, какой путь преодолевает каждый из участников этого путешествия за единицу времени. И если в полете расстояние в 1350 километров между Москвой и Краснодаром мы преодолеем за два часа, на машине нам потребуется никак не меньше 15 часов, то пешком бесшабашный Васечкин сможет в бодром темпе как раз прошагать весь свой отпуск и прибыть на место лишь для того, чтобы поцеловать тещу, отведать блинов и сесть на самолет до Москвы, дабы успеть на работу в понедельник.
Соответственно, за единицу времени за час самолет пролетит 670 километров, машина проедет 90 километров, а турист Васечкин отмахает аж целых пять километров дороги. И тогда говорят, что скорость самолета 670 километров в час, машины 90 км в час, а пешехода 5 км/ч. То есть, скорость определяется делением пройденного пути на единицу времени на час, на минуту или на секунду.
Единицы измерения скорости
На практике применяются такие единицы, как км/ч, м/с и некоторые другие. Обозначают скорость буквой v, расстояние буквой s, а время буквой t. Формула для нахождения скорости в физике выглядит так:
- V = s / t,
Где s - пройденный путь
t - время, затраченное на преодоление этого пути
А если нам надо пересчитать скорость не в километрах в час, а в метрах за секунду, то пересчет происходит следующим образом. Так как 1 км=1000 м, а 1 ч = 60 мин = 3600 с, то можно записать: 1 км/ч=(1000 м)/(3600 с). И тогда скорость самолета будет равна: 670 км/ч=670×(1000 м)/(3600 с)=186м/с
Кроме своего числового значения, скорость имеет еще и направление, поэтому на рисунках скорость обозначают стрелкой и называют векторной величиной.
Средняя скорость в физике
Отметим еще один момент. В нашем примере водитель машины вел машину со скоростью 90 км/ч. По шоссе он мог ехать равномерно с такой скоростью долгое время. А вот проезжая по пути разные города, он то останавливался на светофорах, то полз в пробках, то короткими урывками набирал хорошую скорость.
Т.е. его скорость на разных участках пути была неравномерной. В таком случае вводят понятие средней скорости. Средняя скорость в физике обозначается V_ср и считается также как и скорость при равномерном движении. Только берут общее расстояние пути и делят на общее время.