Ruch krzywoliniowy

Fizyka opisuje rzeczywisty świat poprzez modele zjawisk, które obserwujemy i których doświadczamy. 

W rzeczywistym świecie bardzo rzadko mamy do czynienia z ruchem prostoliniowym. Czytałeś o tym zapewne już w tekstach jemu poświęconych. Najczęściej obserwujemy i doświadczamy ruchu, który określamy jako krzywoliniowy.

W odniesieniu do ruchu obiektu używamy określenia prędkość. Ale ruch zawsze określa także kierunek w jakim ruch się odbywa.

Na przykład samochód na rondzie może jechać ze stałą prędkością, ale kierunek w ruchu po okręgu ronda będzie się cały czas zmieniał. 

Prędkość samolotu

z wiatrem i pod wiatr 

Prędkość i kierunek samolotu

przy bocznym wietrze

Prędkość i wektor prędkości

Kierunek ruchu np. samochodu możemy określić, zgodnie z kompasem, w sposób "bezwzględny" podając na przykład na północ lub jako kąt względem osi północ południe. Nawigacja Google rozpoczyna swoje wskazania nawigacyjne od słów odnoszących się właśnie do kierunku np. "kieruj się na południowy zachód". (Mnie to osobiście trochę denerwuje, bo szczególnie w nocy, w nieznanym miejscu nie mam pojęcia gdzie jest południowy zachód.) 

Możemy także określić kierunek ruchu w sposób względny, to znaczy według innych obiektów. Na przykład gdy mama powie: "biegnij do taty" - którego widzimy gdzieś w pobliżu, albo "biegnij do tego wysokiego drzewa", albo "biegnij na bramkę". Możemy także określić kierunek np. ruchu ręki mówiąc "podnieś rękę prosto w górę". Zmianę kierunku możemy także określić w stosunku do kierunku przed jego zmianą, np. nawigacja informuje kierowcę "za 50 metrów skręć w lewo".

Kierunek ruchu, jak łatwo się domyślić, oznaczamy strzałką pokazującą kierunek. Ponieważ ruch zawsze, poza tym, że odbywa się w określonym kierunku, odbywa się z jakąś szybkością, to możemy oznaczyć kierunek jako zwrot strzałki (kierunek pokazywany przez oś i grot), a prędkość jako długość strzałki.

Jeśli przy ruchu zaznaczymy kierunek w jakim się odbywa, to zawsze mamy do czynienia z wektorem prędkości.

Na rysunkach powyżej widzimy jak zmienia się wektor prędkości samolotu lecącego pod wiatr lub z wiatrem. Zakładamy, że wiatr wieje dokładnie "od tyłu" i dokładnie "od przodu" samolotu. Wtedy nie zmienia się kierunek ruchu - lotu, a jedynie szybkość lotu względem Ziemi.

Gdy na lecący samolot oddziałuje boczny wiatr, to ma wpływ zarówno na szybkość jak i na kierunek ruchu - lotu. W przykładzie z rysunku możemy powiedzieć, że wiatr spycha samolot w bok. Pilot musi korygować kierunek lotu (sterami pionowymi na ogonie samolotu) tak aby nie zboczyć z obranego kursu. 

W każdym przypadku lotu samolotu przedstawionych na rysunkach powyżej mamy do czynienia z tzw. wypadkową prędkością względem Ziemi. Prędkości wypadkowe wynikają ze składania prędkości cząstkowych, w przypadku lotu z wiatrem wektory prędkości się sumują, pod wiatr odejmują, a przy wietrze bocznym wektor prędkości jest przeciwprostokątną trójkąta utworzonego w prędkości własnej samolotu i prędkości bocznego wiatru.

Zmieniające się wektory prędkości

przy rzucie ukośnym   

Rzut osobisty w koszykówce jest dobrym przybliżeniem rzutu ukośnego.

Rzut ukośny

Pierwszy rysunek ilustruje zmiany chwilowego wektora prędkości w rzucie ukośnym i jego składowe względem osi x i y. Przykładem przybliżeniem rzutu ukośnego jest rzut osobisty w koszykówce. Przybliżeniem ponieważ w rzeczywistości duża piłka musi także pokonywać opór powietrza, którego nie uwzględniono na rysunku po lewej. W fizyce często do analizowania jakiegoś zjawiska (tu rzutu ukośnego) pomija się wpływa jakichś innych czynników - tu pomijamy opór powietrza.

W początku rzutu - punkt 0 na wykresie wektor prędkości Vo jest najdłuższy ponieważ jego długość odpowiada największej szybkości ruchu. Gdy lot pod górę się zakrzywia szybkość obiektu maleje, wektor ma najmniejszą długość (obiekt szybkość) w najwyższym punkcie. Póżniej na skutek siły przyciągania grawitacyjnego długość chwilowego wektora prędkości (szybkość obiektu np. piłki) się zwiększa, a maksymalną wartość przyjmuje w momencie dotknięcia podłoża. (I tu rzut osobisty w koszykówce nie jest już dobrym przykładem.)

Rozróżniamy chwilowy (rysunek po lewej stronie) i średni wektor prędkości.

Jadąc z Poznania do Warszawy, możemy mówić o uśrednionym wektorze prędkości - z zachodu na wschód, ale chwilowy wektor prędkości może być inny. Na przykład po drodze na rondzie możemy jechać w kierunku północnym. Na łuku drogi możemy jechać ze stałą prędkością, ale zmienny chwilowy wektor prędkości. 

Prędkość liniowa i prędkość kątowa

w ruchu po okręgu 

Ruch na karuzeli

odbywa się po okręgu

Ruch po okręgu

W ruchu po okręgu mamy do czynienia z prędkością liniową, która odpowiada długości drogi pokonywanej przez poruszający się po okręgu obiekt w jednostce czasu. Na rysunku po lewej widzimy, że obiekt A  poruszający się po okręgu o promieniu A będzie miał mniejszą prędkość liniową niż obiekt B poruszający się po okręgu o promieniu B. Ponieważ obwód okręgu o promieniu A jest mniejszy niż obwód okręgu o promieniu B.  Prędkość liniowa punktów (obiektów) położonych dalej od osi obrotu jest większa od prędkości liniowej punktów (obiektów) położonych bliżej osi obrotu.

Natomiast oba obiekty A i B wykonają natomiast tyle samo obrotów w jednostce czasu. Powiemy więc, że oba poruszają się z taką samą prędkością kątową. Prędkość kątowa to ilość obrotów w jednostce czasu. 

Przykładem ruchu po okręgu może być ruch na karuzeli. Karuzela porusza się określoną iloość obrotów na minutę. Dzieci, które usiadłyby na białym i czarnym koniu poruszałyby się z taką samą prędkośćią kątową..

Podsumowanie

W fizyce niektóre wielkości określa się jako wektorowe. Wielkością wektorową jest prędkość, ale także np. siła, która też ma określoną wartość i zwrot. Jeśli chcemy przesunąc np krzesło to musimy zadziałać z określoną siłą i kierunkiem przesunięcia. Ale siły to jeden z kolejnych tematów.   

Zadanie:

Przypomnij sobie swoje doświadczenia na karuzeli naipisz o nich kilka zdań. Przemyśl tekst i napisz, który koń na karuzeli z fotografii powyżej porusza się z większą prędkością liniową.

Na pewno teraz rozumiesz czym jest ruch krzywoliniowy, prędkość jako wektor, prędkość kątowa i liniowa? Jeśli potrzebujesz dalszych wyjaśnień to także napisz w formularzu poniżej.

tel.: 505 377 726     e-mail: kontakt@terazrozumiem.pl

NOTA PRAWNA: Zgodnie z art. 25 ust. 1 pkt 1 b) Ustawy o prawach autorskich i prawach pokrewnych (z 4 lutego 1994 r, z późn. zmianami) zastrzegam, że wszystkie materiały zamieszczone na terazrozumiem.pl są objęte prawami autorskimi, a ich dalsze rozpowszechnianie bez mojej zgody jest zabronione