Ruch jest wszechobecny. Obserwujemy go na co dzień. Dotyczy to zarówno przedmiotów, jak i ludzi. Rozumiemy ruch intuicyjnie, ale warto go opisać precyzyjnie. Zatem jak to robimy?
Podstawowe pojęcia
Zaczynamy od definicji podstawowych pojęć. To one pozwolą nam zrozumieć naturę ruchu. Dzięki nim będziemy mogli go opisać.
Położenie
Położenie określa, gdzie znajduje się dany obiekt. Musimy mieć punkt odniesienia. Najczęściej używamy układu współrzędnych. Na przykład, na osi liczbowej, możemy powiedzieć, że obiekt jest w punkcie x = 5. W przestrzeni 2D potrzebujemy dwóch współrzędnych (x, y), a w 3D – trzech (x, y, z). Określenie położenia jest kluczowe dla opisu ruchu. Bez tego nie wiemy, gdzie obiekt się znajduje.
Droga
Droga to długość toru, jaki pokonał obiekt. Nie zależy od kierunku ruchu. Mierzymy ją w metrach (m), kilometrach (km), etc. Ważne jest, że droga zawsze ma wartość dodatnią. Samochód, który przejechał 10 km, pokonał drogę 10 km, niezależnie od tego, czy jechał do przodu, czy do tyłu.
Przemieszczenie
Przemieszczenie to zmiana położenia obiektu. Ma kierunek i zwrot. Jest to wektor łączący punkt początkowy z końcowym. Mierzymy je również w metrach (m), kilometrach (km). Jeśli wrócimy do punktu wyjścia, przemieszczenie wynosi zero. Droga natomiast może być wtedy większa od zera.
Czas
Czas jest potrzebny, by opisać, jak szybko zachodzi ruch. Mierzymy go w sekundach (s), minutach (min), godzinach (h). Określenie czasu trwania ruchu jest niezbędne. Bez niego nie możemy określić prędkości.
Rodzaje ruchu
Ruch możemy podzielić na różne rodzaje. Kryterium podziału może być tor ruchu lub zmiana prędkości.
Ruch jednostajny prostoliniowy
Ruch jednostajny prostoliniowy to ruch, w którym ciało porusza się po linii prostej ze stałą prędkością. Oznacza to, że prędkość nie zmienia się w czasie. Przykładowo, samochód jadący ze stałą prędkością 60 km/h po prostej drodze porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Do obliczeń używamy wzoru: v = s/t, gdzie v to prędkość, s to droga, a t to czas.
Ruch jednostajnie zmienny prostoliniowy
Ruch jednostajnie zmienny prostoliniowy to ruch po linii prostej, w którym prędkość zmienia się w sposób jednostajny, czyli przyspieszenie jest stałe. Może to być ruch jednostajnie przyspieszony, gdzie prędkość rośnie, lub ruch jednostajnie opóźniony, gdzie prędkość maleje. Przykładem jest spadający swobodnie kamień (pomijając opór powietrza) lub samochód hamujący ze stałym opóźnieniem. Opisujemy go wzorami: v = v0 + at oraz s = v0t + (at2)/2, gdzie v0 to prędkość początkowa, a to przyspieszenie, a s to droga.
Ruch krzywoliniowy
Ruch krzywoliniowy to ruch po torze, który nie jest linią prostą. Przykładem jest ruch po okręgu, rzut ukośny, czy ruch po torach kolejki górskiej. Opis ruchu krzywoliniowego jest bardziej skomplikowany. Często używamy do tego wektorów i składowych prędkości.
Prędkość i przyspieszenie
Prędkość i przyspieszenie to kluczowe pojęcia. Pozwalają nam opisać, jak szybko i jak bardzo zmienia się ruch.
Prędkość
Prędkość określa, jak szybko zmienia się położenie. Jest to wielkość wektorowa. Ma kierunek, zwrot i wartość. Średnia prędkość to stosunek przemieszczenia do czasu, w którym to przemieszczenie nastąpiło. Prędkość chwilowa to prędkość w danym momencie czasu.
Przyspieszenie
Przyspieszenie określa, jak szybko zmienia się prędkość. Jest to również wielkość wektorowa. Ma kierunek, zwrot i wartość. Średnie przyspieszenie to stosunek zmiany prędkości do czasu, w którym ta zmiana nastąpiła. Przyspieszenie chwilowe to przyspieszenie w danym momencie czasu.
Wykresy ruchu
Wykresy ruchu to graficzne przedstawienie zależności między różnymi wielkościami opisującymi ruch. Pozwalają wizualizować ruch i analizować go.
Wykres zależności położenia od czasu (x(t))
Na tym wykresie oś pozioma to czas (t), a oś pionowa to położenie (x). Nachylenie wykresu w danym punkcie odpowiada prędkości w tym momencie. Linia prosta oznacza ruch jednostajny. Krzywa oznacza ruch zmienny.
Wykres zależności prędkości od czasu (v(t))
Na tym wykresie oś pozioma to czas (t), a oś pionowa to prędkość (v). Nachylenie wykresu w danym punkcie odpowiada przyspieszeniu w tym momencie. Pole pod wykresem w danym przedziale czasu odpowiada przemieszczeniu.
Praktyczne zastosowania
Opis ruchu ma wiele praktycznych zastosowań. Od fizyki po inżynierię. Znajdujemy je w życiu codziennym.
W fizyce opis ruchu jest fundamentalny dla zrozumienia praw natury. Pozwala nam modelować i przewidywać ruch planet, cząstek elementarnych czy obiektów codziennego użytku. W inżynierii, opis ruchu jest niezbędny do projektowania pojazdów, maszyn i budowli. Musimy wiedzieć, jak obiekty będą się poruszać i jakie siły będą na nie działać. W życiu codziennym, np. planując podróż, korzystamy z informacji o ruchu. Szacujemy czas dojazdu, prędkość z jaką się poruszamy, itp.
