6. Przykład - rzut ukośny (*)
|
Ruch, w którym przyspieszenie zachowuje stałą wartość co do wartości
bezwzględnej i kierunku nazywamy ruchem jednostajnie przyspieszonym.
Z ruchami tego typu spotykamy się codziennie, bowiem są to wszelkie ruchy
odbywające się z przyspieszeniem ziemskim. Tak poruszają się spadające
lub rzucone przedmioty, takim ruchem (choć o innej wartości
przyspieszenia) poruszają się zjeżdżające po zboczu góry o stałym
nachyleniu pojazdy, gdy nie występuje hamowanie i opory ruchu są pomijalnie małe,
tak porusza się kula karabinowa lub strzała z łuku, jeśli także opory
powietrza można zaniedbać, tak porusza się strumień wody wyrzucany pod ciśnieniem.
W dalszej części kursu fizyki zobaczymy, że tak również poruszają się ładunki
elektryczne w jednorodnym polu elektrycznym. Znajduje to wielorakie
zastosowania, np. w konstrukcji kineskopów telewizyjnych oraz akceleratorów cząstek
i jąder atomowych stosowanych w badaniach naukowych, przemyśle i medycynie.
|
Kierunek wektora przyspieszenia może być dowolny. Jedynie dla
sprecyzowania naszych dalszych rozważań przyjmijmy, że przyspieszenie
skierowane jest wzdłuż osi Z. (Patrz - rysunek) W momencie, kiedy
rozpoczynamy obserwację ruchu, ciało przez nas obserwowane może już
poruszać się, czyli można mu przypisać pewien wektor prędkości początkowej.
Wreszcie, ciało w tym momencie znajduje się w określonym punkcie
przestrzeni, który określamy przez podanie jego współrzędnych. Dwa
wektory: przyspieszenia i prędkości początkowej wyznaczają pewną
płaszczyznę. Możemy tak dobrać kierunki osi układu współrzędnych,
by była to np. płaszczyzna (Y,Z). Wówczas, składowe prędkości
i położenia wzdłuż osi X w początkowej chwili czasu t=0,
równe są zeru.
|
Rys.2.10. Relacje kinematyczne w
ruchu jednostajnie przyspieszonym. |
Warunki początkowe ruchu w układzie współrzędnych prostokątnych określamy
w następujący sposób
.
| (2.37)
|
W rozpatrywanym przez nas ruchu wektor przyspieszenia nie zmienia się
w czasie. Pamiętając, że przyspieszenie jest pochodną prędkości po czasie,
możemy wyznaczyć prędkość wykonując operację odwrotną do różniczkowania,
czyli całkując przyspieszenie po czasie. Zapiszmy te relacje dla
poszczególnych składowych
| (2.38)
|
.
|
|
Jak wiemy z matematyki, każda z całek określona jest z dokładnością do stałej.
Stałe te oznaczyliśmy literą C, z odpowiednim indeksem. Są one
niezależne od czasu, możemy więc wyznaczyć je w oparciu o wartości składowych
prędkości dla t=0, (wzór (40) otrzymując
| (2.39)
|
W ten sposób mamy wyznaczone trzy składowe wektora prędkości ciała
| (2.40
|
Podobnie wyznaczamy współrzędne wektora położenia pamiętając, że prędkość
jest pochodną położenia względem czasu. Uzyskujemy w ten sposób wartości
współrzędnych w funkcji czasu.
| (2.41)
|
| (2.42)
|
| (2.43)
|
W ten sposób mamy wyznaczone wektory prędkości i położenia dla dowolnej
chwili naszego ruchu. Zależności wektorów położenia i prędkości od czasu
noszą nazwę równań ruchu. Wzory (2.41-43) stanowią wiec rozwiązanie
równań ruchu dla przypadku ruchu jednostajnie przyspieszonego. Wzory te są też
równaniami toru poruszającego się ciała zapisanymi w
postaci parametrycznej, gdzie parametrem jest czas. Zauważamy, że w naszym
przypadku ruch odbywa się wyłącznie w płaszczyźnie (Y,Z). Ruch taki
nazywamy ruchem płaskim. Możemy łatwo zapisać równanie toru ciała w
naszym ruchu w postaci bezpośredniej zależności z=f(y). Zapis taki
uzyskamy eliminując czas z zależności (47), (48). Z równania (47)
wyznaczmy czas
| (2.44)
|
i wstawiamy do równania (48) otrzymując
| (2.45)
|
W uzyskanej zależności bez trudu rozpoznajemy równanie paraboli, gdzie zmienną
niezależną jest przyrost współrzędnej y. Równanie to możemy przepisać też
w postaci
| (2.56)
|
gdzie
.
| (2.47)
|
Przyrost współrzędnej y oznaczyliśmy tu przez D
y i wprowadziliśmy kąt
nachylenia q
wektora prędkości u
0 względem osi Y.
Rys. 2.11. przedstawia graficzną prezentację rozpatrywanego przez nas ruchu
z wyszczególnieniem podstawowych symboli i zależności. W tym przypadku wektor
przyspieszenia skierowany jest w stronę przeciwną niż składowa u
z wektora prędkości.
Tor na rysunku odpowiada znanemu z kursu szkolnego przypadkowi rzutu ukośnego i
może być uznany np. za tor pocisku armatniego. Kształt toru w ruchu
jednostajnie przyspieszonym może być jednak zupełnie inny. Zależy to od
relacji pomiędzy parametrami ruchu wyznaczonymi przez warunki początkowe.
|
Rys.2.11. Rys. 2.11.
Kinematyka rzutu ukośnego
|
Wszystko, co opisaliśmy z pomocą definicji i wzorów, znajduje żywe
odzwierciedlenie w otaczającej nas rzeczywistości. Cały pęk "rzutów
ukośnych" pokazany jest na stronie tytułowej naszego kursu. Teraz zaś Ty
sam sprawdź czy rozumiesz znaczenie poszczególnych pojęć i wzorów
|
Dla przykładu - wyznacz przy założonych przez
siebie warunkach początkowych:
- czas, po którym ciało wystrzelone do góry z określoną prędkością
osiągnie największą wysokość,
- wartość tej wysokości wyrażoną w metrach,
- zasięg lotu ciała wystrzelonego pod danym kątem do poziomu,
- kąt dla którego zasięg będzie największy
- całkowity czas lotu wystrzelonego pod danym kątem pocisku,
- prędkość pocisku w najwyższym punkcie oraz w momencie uderzenia
o ziemię,
- prędkość wyrzucanej pionowo wody w słynnej fontannie na jeziorze
genewskim, gdzie wysokość słupa wody osiąga 130m. (patrz zdjęcie
obok)
- Masę wody utrzymującej się w powietrzu wiedząc, że fontanna
wyrzuca 500 litrów wody na sekundę.
|
Rys.2.12. Jaka masa wody utrzymuje
się w powietrzu i z jaką prędkością jest wyrzucana woda w słynnej
genewskiej fontannie? |
A teraz, Wyniki swych obliczeń możesz sam sprawdzić wykonując modelowanie
ruchu jednostajnie przyspieszonego za pomocą interaktywnej ilustracji
graficznej. Rysunek poniżej prezentuje przykładowy wykres uzyskany z użyciem
tego programu.
MS-Excel |
Interaktywna
ilustracja graficzna |
Kliknij w polu rysunku.
|
|
Rys.2.13
Ruch jednostajnie przyspieszony. |
Najlepszą weryfikacją obliczeń jest eksperyment. Wykonamy go teraz w naszym
Domowym Laboratorium Fizycznym.
Domowe Laboratorium
Fizyczne
|
|
Sprawdzenie czy trajektoria rzutu ukośnego ma rzeczywiście
kształt paraboli może być trudne, bowiem zwykle rzucony przedmiot nie
pozostawia śladu. W naszym domowym laboratorium rolę wyrzucanych w sposób
ciągły przedmiotów odgrywa strumień wody w łazience. |
- Zaobserwuj dla jakiego kąta względem poziomu zasięg
strumienia wody jest największy.
- Oszacuj prędkość strumienia wody wiedząc, że wysokość
kafelka wynosi 15cm.
|