Ruch i ruch jednostajny - Spotkania z fizyką 7

1.Ruch

Zjawisko polegające na zmianie położenia ciała względem wybranego układu odniesienia, zachodzącej z upływem czasu. Bez wyboru układu odniesienia nie da się ustalić, czy ciało jest w ruchu, czy w spoczynku.

2.Układ odniesienia

Wybrane ciało lub układ ciał, względem którego określa się położenie i ruch opisywanego ciała. Dla wygody często przyjmuje się Ziemię i wszystkie ciała sztywno z nią połączone, np. drzewa, domy, latarnie uliczne.

3.Spoczynek

Stan ciała, które nie zmienia położenia względem wybranego układu odniesienia. To, czy ciało jest w spoczynku, czy w ruchu, zależy od wyboru układu odniesienia: budynek szkoły jest w spoczynku względem Ziemi, ale w ruchu względem Księżyca czy Słońca.

4.Jak wygląda ruch pojazdu jadącego obok nas?

Gdy pojazd jedzie obok nas w tę samą stronę i tak samo szybko, wydaje się, że stoi, a jego pasażerowie się nie poruszają. Gdy jedzie tak samo szybko w przeciwną stronę, mijamy go dwa razy szybciej niż kogoś stojącego przy drodze. Osoba stojąca przy drodze widzi oba pojazdy jadące jednakowo szybko.

5.Względność ruchu

Cecha ruchu polegająca na tym, że to samo ciało względem jednego układu odniesienia może być w ruchu, a względem innego - w spoczynku. Na przykład pasażer jadącego autobusu jest w spoczynku względem innych pasażerów, ale w ruchu względem osób na przystanku.

6.Rodzaje układów współrzędnych

Układ współrzędnych pozwala dokładnie określić położenie ciała w danej chwili. Jednowymiarowy wystarcza, gdy ciało porusza się po prostej (np. mrówka po źdźble trawy) albo gdy interesuje nas tylko odległość w jednym kierunku (np. długość skoku w dal). Dwuwymiarowy stosujemy przy ruchu po płaszczyźnie (np. łódka na jeziorze), a trójwymiarowy - w przestrzeni (np. lecący ptak, balon). Początek układu wybiera się dowolnie, najlepiej tak, by opis ruchu był najprostszy.

7.Tor

Tor ruchu to linia zakreślana przez poruszające się ciało, czyli linia, po której ciało się porusza, np. ślad nart na śniegu.

8.Droga

Długość toru ruchu. Jest to liczbowa wielkość fizyczna oznaczana literą $s$; jej jednostką w układzie SI jest metr ($1~\mathrm{m}$). Droga zależy od trasy: idąc krętą ścieżką, przebywamy dłuższą drogę, niż wynosi odległość w linii prostej.

9.Ruch prostoliniowy i krzywoliniowy

Podział ruchów ze względu na kształt toru. W ruchu prostoliniowym torem jest linia prosta (np. winda jadąca w górę), a w ruchu krzywoliniowym - linia krzywa (np. samolot wykonujący pętlę).

10.Ruch jednostajny prostoliniowy

Ruch, w którym ciało pokonuje jednakowe odcinki drogi w takich samych odstępach czasu, a torem jest linia prosta. Wartość prędkości jest w nim stała. Ruch jednostajny (jednakowe odcinki drogi w jednakowych przedziałach czasu) może być też krzywoliniowy - wtedy wartość prędkości również jest stała.

11.Badanie ruchu pęcherzyka powietrza - doświadczenie

Cel: zbadać, jakim ruchem porusza się pęcherzyk powietrza w wodzie. Przebieg: na prosto ułożonym wężyku z wodą i małym pęcherzykiem zaznaczamy jednakowe odcinki (np. co $15~\mathrm{cm}$), odwracamy wężyk (pod kątem, gdy pęcherzyk jest za szybki) i stoperem mierzymy czasy dotarcia pęcherzyka do kolejnych kresek. Obserwacja: jednakowe odcinki pęcherzyk pokonuje w przybliżeniu w jednakowych czasach. Wniosek: porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

12.Prędkość

Wielkość fizyczna, która określa, jak szybko porusza się ciało. Jest wielkością wektorową: ma wartość, kierunek i zwrot. Wektor prędkości oznacza się $\vec{v}$, a samą jej wartość - literą $v$. W szkole podstawowej obliczamy tylko wartość prędkości w ruchu prostoliniowym bez zawracania.

13.Wzór na wartość prędkości

$v = \frac{s}{t}$, czyli prędkość to droga podzielona przez czas ($s$ - droga, $t$ - czas); stosujemy go w ruchu jednostajnym prostoliniowym. Po przekształceniu otrzymujemy wzór na drogę $s = v \cdot t$ oraz na czas ruchu $t = \frac{s}{v}$.

14.Jednostki prędkości

Jednostką prędkości w układzie SI jest metr na sekundę ($1~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$). Często używa się też kilometra na godzinę ($\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}}$), np. w samochodach. Zależność między nimi: $1~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} = 3{,}6~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}}$.

15.Sporządzanie wykresu z pomiarów

1. Rysujemy osie i podpisujemy je symbolem wielkości i jednostką (czas $t$ na osi poziomej, np. droga $s$ na pionowej). 2. Na osiach w równych odstępach zaznaczamy podziałkę i podpisujemy wartości. 3. Zaznaczamy punkty pomiarowe. 4. Prowadzimy linię przez punkty - gdy nie leżą dokładnie na prostej, rysujemy prostą jak najbliżej wszystkich punktów, a nie łamaną od punktu do punktu.

16.Wykres $s(t)$

Wykres zależności drogi od czasu: czas na osi poziomej, droga na pionowej. W ruchu jednostajnym prostoliniowym jest to półprosta nachylona do osi poziomej, wychodząca z początku układu współrzędnych - droga jest wprost proporcjonalna do czasu.

17.Zależność wprost proporcjonalna

Zależność dwóch wielkości, w której gdy jedna wzrasta, to druga również wzrasta tyle samo razy, a gdy jedna maleje, to druga maleje tyle samo razy. Na wykresie jest to prosta lub półprosta nachylona do osi poziomej, przechodząca przez początek układu współrzędnych, np. droga w ruchu jednostajnym w zależności od czasu.

18.Wykres $v(t)$

Wykres zależności prędkości od czasu. W ruchu jednostajnym jest to linia pozioma (równoległa do osi czasu), bo wartość prędkości się nie zmienia. Wysokość tej linii to wartość prędkości.

19.Jak dobrać jednostki, licząc drogę, prędkość i czas?

Jednostki muszą do siebie pasować. Prędkość w $\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$ łączymy z czasem w sekundach i drogą w metrach, a prędkość w $\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}}$ - z czasem w godzinach i drogą w kilometrach. Jeśli czas podano w minutach, najpierw zamieniamy go na sekundy albo na godziny. Gdy prędkość i czas od razu zamienimy na jednostki układu SI, drogę otrzymamy w metrach.

20.Przeliczanie $\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}}$ na $\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$

Zamieniamy kilometry na metry ($1~\mathrm{km} = 1000~\mathrm{m}$) i godziny na sekundy ($1~\mathrm{h} = 3600~\mathrm{s}$): $1~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}} = \frac{1000~\mathrm{m}}{3600~\mathrm{s}}$. W praktyce wartość w $\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}}$ dzielimy przez $3{,}6$, np. $36~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}} = 10~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$.

21.Przeliczanie $\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$ na $\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}}$

Zamieniamy metry na kilometry ($1~\mathrm{m} = 0{,}001~\mathrm{km}$) i sekundy na godziny ($1~\mathrm{s} = \frac{1}{3600}~\mathrm{h}$), więc $1~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} = 3{,}6~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}}$. W praktyce wartość w $\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$ mnożymy przez $3{,}6$, np. $50~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} = 180~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}}$.

22.Chwila (moment)

Punkt na osi czasu, który nie trwa. Sformułowanie „w chwili $t = 4~\mathrm{min}$” oznacza moment, w którym kończy się czwarta minuta ruchu - w odróżnieniu od przedziału czasu, który ma początek i koniec.

23.„W ciągu czterech minut” a „w czwartej minucie”

„W ciągu czterech (pierwszych) minut” to przedział czasu od $t = 0$ do $t = 4~\mathrm{min}$. „W czwartej minucie” to przedział od $t = 3~\mathrm{min}$ do $t = 4~\mathrm{min}$, czyli tylko jedna minuta. Dlatego droga przebyta w ciągu czterech minut jest inna niż droga przebyta w czwartej minucie - zadania trzeba czytać uważnie.