Перемещение при прямолинейном равномерном движении

На прошлом уроке мы научились находить координаты движущегося тела в определенный момент времени. Для этого мы использовали вектор перемещения, а точнее — его проекцию: $s_x = x_2 \space − \space x_1$. Итак, зная проекцию вектора перемещения и начальную координату тела, мы находили интересующую нас координату $x_2$, которую тело имеет по прошествии какого-то времени: $x_2 = x_1 \space + \space s_x$. 

Но что делать, если вектор перемещения изначально не задан? На данном уроке вы узнаете, как его определить в самом простом случае — при прямолинейном и равномерном движении тела. А также вам предстоит знакомство с графиками зависимости модуля скорости и ее проекции от времени (они помогут нам в нахождении модуля и проекции перемещения) и уравнением движения тела.

Формулы скорости и перемещения в векторной форме

Для начала вспомним определение прямолинейного равномерного движения (рисунок 1).

Прямолинейное равномерное движение — это движение, при котором тело движется по прямолинейной траектории и проходит за любые равные промежутки времени одинаковые пути.

При таком движении перемещение тела с течением времени увеличивается. Быстроту этого увеличения характеризует скорость.

Что называется скоростью равномерного прямолинейного движения?

Скорость равномерного прямолинейного движения — это постоянная векторная величина, равная отношению перемещения тела за любой промежуток времени к значению этого промежутка:
$\vec \upsilon = \frac{\vec s}{t}$.

Скорость — это векторная величина: она имеет как направление, так и численное значение (ее модуль). Обратите внимание, что скорость при равномерном прямолинейном движении постоянна: не изменяется ни ее модуль, ни ее направление.

Теперь давайте выразим из формулы скорости искомое перемещение:

$\vec s = \vec \upsilon t$.

Хорошо, теперь у нас есть формула для перемещения. Но она в векторной форме. С одной стороны, это дает нам возможность судить о том, как скорость и перемещение направлены относительно друг друга. Из наших формул видно, что при прямолинейном равномерном движении эти величины сонаправлены друг другу.

С другой стороны, в таком виде мы не сможем использовать формулу перемещения для расчетов. Теперь нам нужно получить формулу для проекции вектора перемещения.

{"questions":[{"content":"Скорость при равномерном прямолинейном движении[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["постоянна по модулю и направлению","постоянна только по модулю","постоянна только по направлению","непостоянна ни по модулю, ни по направлению"],"answer":[0]}}}]}

Формула перемещения для практического использования

Итак, при решении задач нам понадобится формула, в которую будут входить проекции векторов на ось.

Как найти проекцию вектора перемещения тела, движущегося прямолинейно и равномерно, если известны проекция вектора скорости и время движения?

$s_x = \upsilon_x t$.

Обратите внимание, что проекции $s_x$ и $\upsilon_x$ могут иметь знак «минус». Это будет означать, что соответствующий проекции вектор направлен противоположно выбранной оси.

Например, если вектор скорости $\vec \upsilon_1$ сонаправлен оси OX (рисунок 2), то проекция скорости будет больше нуля: $\upsilon_{1x} > 0$. Если же скорость $\vec \upsilon_2$ направлена против оси OX, то проекция этого вектора будет отрицательной: $\upsilon_{2x} < 0$.

Мы не изображаем на рисунках и схемах проекцию вектора скорости подобно проекции вектора перемещения (мы рассчитываем проекцию вектора скорости по вышеприведенной формуле). Нам достаточно знать, что при равномерном прямолинейном движении вектор скорости всегда сонаправлен с вектором перемещения. Так, если тело двигалось противоположно направлению координатной оси, то проекция вектора перемещения будет отрицательной. Используя формулу $\upsilon_x = \frac{s_x}{t}$, мы получим отрицательную проекцию вектора скорости.

{"questions":[{"content":"Проекцию вектора перемещения можно рассчитать по формуле:[[choice-5]]","widgets":{"choice-5":{"type":"choice","options":["$s_x = \\upsilon_x t$","$\\vec s = \\vec \\upsilon t$","$s_x = \\vec \\upsilon t$","$s_x = \\frac{\\upsilon_x}{t}$"],"answer":[0]}}}]}

Модуль вектора перемещения и путь

Иногда мы можем встретить задачи, при решении которых нам будет неважно направление векторов перемещения и скорости. Тогда мы можем использовать уже знакомую вам формулу, в которой фигурируют модули величин:

$s = \upsilon t$.

Используя эту формулу ранее, мы называли величину $s$ пройденным путем, а теперь называем ее перемещением. Ошибки здесь нет — это частный случай, когда путь равен модулю перемещения (рисунок 3).

При каком условии модуль вектора перемещения, совершенного телом за некоторый промежуток времени, равен пути, пройденному телом за тот же промежуток времени?

При движении в одном направлении модуль вектора перемещения, совершенного телом за некоторый промежуток времени, равен пути, пройденному этим телом за тот же промежуток времени.

Взгляните на рисунок 4, подтверждающий этот факт.

Если тело (автомобиль на рисунке 4) движется в одном направлении (например, из точки $O$ в точку $A$ или из точки $O$ в точку $C$), модуль вектора перемещения равен пройденному пути. Если же направление движения тела изменяется (например, при движении из точки $O$ в точку $B$ и обратно в точку $O$ или при движении по криволинейной траектории из точки $O$  в точку $D$), то путь, пройденный телом, будет больше модуля его перемещения.

{"questions":[{"content":"Модуль вектора перемещения равен пути, пройденному телом, в случае, если тело двигалось[[choice-11]]","widgets":{"choice-11":{"type":"choice","options":["прямолинейно","криволинейно","равномерно","равноускоренно"],"answer":[0]}}}]}

График зависимости модуля вектора скорости от времени

Рассмотрим график зависимости модуля вектора скорости $\upsilon$ от времени $t$. Тело при этом движется равномерно и прямолинейно (рисунок 5).

Модуль вектора перемещения $s$  в данном случае мы можем рассчитать по формуле:
$s = \upsilon_1 t_1$.

А теперь взгляните на закрашенный зеленым цветом прямоугольник на рисунке 5. Его площадь $S$ по определению будет равна произведению его смежных сторон — $\upsilon_1$ (длины отрезка $O \upsilon_1$) и $t_1$ (длины отрезка $O t_1$).

При прямолинейном равномерном движении тела модуль вектора его перемещения численно равен площади прямоугольника (площади под графиком скорости), заключенного между графиком скорости, осью Ot и перпендикулярами к этой оси, восстановленными из точек, соответствующих моментам начала и конца наблюдения (в данном случае из точек $O$ и $t_1$).

{"questions":[{"content":"Площадь под графиком модуля скорости в зависимости от времени равна[[choice-15]]","widgets":{"choice-15":{"type":"choice","options":["модулю вектора перемещения","вектору перемещения","средней скорости движения","времени движения"],"answer":[0]}}}]}

График зависимости проекции вектора скорости от времени

И все-таки, чаще мы будем иметь дело с задачами, при решении которых нам понадобится использовать проекции векторов.

Например, обратимся к задаче с катерами из прошлого урока. Два катера двигаются в противоположных направлениях (рисунок 6). Один из них проходит $60 \space км$, а другой — $50 \space км$. Пусть эти перемещения совершены за время $t_1$, равное $2 \space ч$.

В этом случае векторы скорости и перемещения первого катера будут сонаправлены друг другу, как и векторы скорости и перемещения второго катера. Их проекции: для первого катера они будут положительными, а для второго — отрицательными.

Проекция скорости первого катера:
$s_{1x} = \upsilon_{1x} t_1$,
$\upsilon_{1x} = \frac{s_{1x}}{t_1}$,
$\upsilon_{1x} = \frac{60 \space км}{2 \space ч} = 30 \frac{км}{ч}$.

Проекция скорости второго катера:
$\upsilon_{2x} = \frac{s_{2x}}{t_1}$,
$\upsilon_{2x} = \frac{−50 \space км}{2 \space ч} = −25 \frac{км}{ч}$.

А теперь взгляните на графики зависимости проекций векторов скорости от времени (рисунок 7).

Какую информацию о движении двух тел можно получить по графикам, изображенным на рисунке 7?

{"questions":[{"content":"По графику зависимости проекции скорости равномерного прямолинейного движения от времени можно определить[[choice-19]]","widgets":{"choice-19":{"type":"choice","options":["проекцию вектора перемещения за данное время","вектор перемещения","среднюю скорость движения"],"answer":[0]}}}]}

Уравнение движения

Теперь получим формулу для определения координаты тела при неизвестном векторе перемещения.

Рассмотрим автомобиль, который двигается равномерно и прямолинейно по какому-то участку дороги (рисунок 8). За тело отсчета возьмем светофор и направим ось OX в сторону движения автомобиля.

Чему будет равна проекция перемещения автомобиля из точки с координатой $x_0$  в точку с координатой $x$?

По определению проекции:
$s_x = x \space − \space x_0$.

По определению проекции скорости:
$s_x = \upsilon_x t$.

Приравняем правые части этих уравнений друг к другу:
$\upsilon_x t =  x \space − \space x_0$.

Теперь выразим отсюда искомую координату $x$ и получим кинематический закон движения или уравнение движения.

Для определения координаты движущегося тела в любой момент времени достаточно знать его начальную координату и проекцию скорости движения на ось:
$x = x_0 \space + \space \upsilon_x t$.

{"questions":[{"content":"Уравнение прямолинейного и равномерного движения имеет вид:[[choice-22]]","widgets":{"choice-22":{"type":"choice","options":["$x = x_0 \\space + \\space \\upsilon_x t$","$x = \\upsilon_x t$","$x = x_0 \\space + \\space s_x t$","$s_x = \\upsilon_x t$"],"answer":[0]}}}]}

Упражнения

Посмотреть ответ

Скрыть

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Графики зависимости проекций векторов скорости от времени для трех автомобилей показаны на рисунке 9.

Автомобили движутся равномерно. Значит, скорость не изменяется с течением времени — графики представляют собой прямые, параллельные оси времени Ot.

Первые два автомобиля движутся в одном направлении — мы примем его за направление оси OX. Поэтому проекции векторов скорости $\upsilon_{1x}$ и  $\upsilon_{2x}$ будут положительными. Третий автомобиль двигается в противоположную сторону. Значит, проекция его вектора скорости  $\upsilon_{3x}$ будет отрицательной.