Kretanje tijela u prostoru opisuje se skupom karakteristika, među kojima su glavne prijeđeni put, brzina i ubrzanje. Posljednja karakteristika u velikoj mjeri određuje posebnost i vrstu samog pokreta. U ovom članku ćemo razmotriti pitanje šta je ubrzanje u fizici i dat ćemo primjer rješavanja problema pomoću ove vrijednosti.
Glavna jednadžba dinamike
Prije definiranja ubrzanja u fizici, dajmo glavnu jednačinu dinamike, koja se zove Newtonov drugi zakon. Često se piše na sljedeći način:
F¯dt=dp¯
Odnosno, sila F¯, koja ima spoljni karakter, delovala je na određeno telo za vreme dt, što je dovelo do promene količine kretanja za vrednost dp¯. Lijeva strana jednačine se obično naziva impulsom tijela. Imajte na umu da su veličine F¯ i dp¯ vektorske prirode, a vektori koji im odgovaraju su usmjereniisto.
Svaki učenik zna formulu za impuls, ona se piše na sljedeći način:
p¯=mv¯
Vrijednost p¯ karakterizira kinetičku energiju pohranjenu u tijelu (faktor brzine v¯), koji ovisi o inercijalnim svojstvima tijela (maseni faktor m).
Ako ovaj izraz zamijenimo formulom 2. Newtonovog zakona, dobićemo sljedeću jednakost:
F¯dt=mdv¯;
F¯=mdv¯ / dt;
F¯=ma¯, gdje je a¯=dv¯ / dt.
Ulazna vrijednost a¯ se naziva ubrzanje.
Šta je ubrzanje u fizici?
Sada objasnimo šta znači vrijednost a¯ uvedena u prethodnom paragrafu. Zapišimo ponovo njegovu matematičku definiciju:
a¯=dv¯ / dt
Koristeći formulu, lako se može shvatiti da je to ubrzanje u fizici. Fizička veličina a¯ pokazuje koliko brzo će se brzina mijenjati s vremenom, odnosno mjera je brzine promjene same brzine. Na primjer, u skladu s Newtonovim zakonom, ako sila od 1 Njutna djeluje na tijelo težine 1 kilogram, ono će postići ubrzanje od 1 m / s2, tj. svake sekunde kretanja tijelo će povećati svoju brzinu za 1 metar u sekundi.
Ubrzanje i brzina
U fizici, to su dvije različite veličine koje su međusobno povezane kinematičkim jednačinama kretanja. Obje količine suvektora, ali su u opštem slučaju drugačije usmereni. Ubrzanje je uvijek usmjereno duž smjera djelovanja sile. Brzina je usmjerena duž putanje tijela. Vektori ubrzanja i brzine će se poklopiti jedan s drugim samo kada se vanjska sila u smjeru djelovanja poklopi sa kretanjem tijela.
Za razliku od brzine, ubrzanje može biti negativno. Posljednja činjenica znači da je usmjerena protiv kretanja tijela i teži smanjenju njegove brzine, odnosno dolazi do procesa usporavanja.
Opća formula koja povezuje module brzine i ubrzanja izgleda ovako:
v=v0+ at
Ovo je jedna od osnovnih jednadžbi pravolinijskog ravnomjerno ubrzanog kretanja tijela. To pokazuje da se tokom vremena brzina linearno povećava. Ako je kretanje jednako sporo, tada treba staviti minus ispred člana at. Vrijednost v0ovdje je neka početna brzina.
Sa ravnomjerno ubrzanim (ekvivalentno usporenim) kretanjem, formula je također važeća:
a¯=Δv¯ / Δt
Razlikuje se od sličnog izraza u diferencijalnom obliku po tome što se ovdje ubrzanje izračunava u konačnom vremenskom intervalu Δt. Ovo ubrzanje se naziva prosjekom tokom označenog vremenskog perioda.
Putanja i ubrzanje
Ako se tijelo kreće ravnomjerno i pravolinijski, tada se put koji je prešao za vrijeme t može izračunati na sljedeći način:
S=vt
Ako je v ≠ const, tada pri izračunavanju udaljenosti koju je prešlo tijelo treba uzeti u obzir ubrzanje. Odgovarajuća formula je:
S=v0 t + at2 / 2
Ova jednačina opisuje ravnomjerno ubrzano kretanje (za ravnomjerno usporeno kretanje, znak "+" mora biti zamijenjen znakom "-").
Kružno kretanje i ubrzanje
Gore je rečeno da je ubrzanje u fizici vektorska veličina, odnosno da je njegova promjena moguća i po smjeru i po apsolutnoj vrijednosti. U slučaju razmatranog pravolinijskog ubrzanog kretanja, smjer vektora a¯ i njegov modul ostaju nepromijenjeni. Ako se modul počne mijenjati, takvo kretanje više neće biti ravnomjerno ubrzano, već će ostati pravolinijsko. Ako se smjer vektora a¯ počne mijenjati, tada će kretanje postati krivolinijsko. Jedan od najčešćih tipova takvog kretanja je kretanje materijalne tačke duž kružnice.
Za ovu vrstu kretanja važe dvije formule:
α¯=dω¯ / dt;
ac=v2 / r
Prvi izraz je kutno ubrzanje. Njegovo fizičko značenje leži u brzini promjene ugaone brzine. Drugim riječima, α pokazuje koliko se brzo tijelo okreće ili usporava svoju rotaciju. Vrijednost α je tangencijalno ubrzanje, odnosno usmjereno je tangencijalno na kružnicu.
Drugi izraz opisuje centripetalno ubrzanje ac. Ako je linearna brzina rotacijeostaje konstantan (v=const), tada se modul ac ne menja, ali se njegov smer uvek menja i teži da usmeri telo ka centru kruga. Ovdje je r polumjer rotacije tijela.
Problem sa slobodnim padom tijela
Saznali smo da je ovo ubrzanje u fizici. Sada ćemo pokazati kako koristiti gornje formule za pravolinijsko kretanje.
Jedan od tipičnih problema u fizici sa ubrzanjem slobodnog pada. Ova vrijednost predstavlja ubrzanje koje gravitacijska sila naše planete daje svim tijelima koja imaju konačnu masu. U fizici, ubrzanje slobodnog pada u blizini površine Zemlje je 9,81 m/s2.
Pretpostavimo da je neko tijelo bilo na visini od 20 metara. Onda je pušten. Koliko će vremena trebati da stigne do površine zemlje?
Pošto je početna brzina v0 jednaka nuli, tada za pređeni put (visina h) možemo napisati jednačinu:
h=gt2 / 2
Odakle dobijamo vrijeme pada:
t=√(2h / g)
Zamjenom podataka iz uvjeta nalazimo da će tijelo biti na zemlji za 2,02 sekunde. U stvarnosti, ovo vrijeme će biti nešto duže zbog prisustva otpora zraka.
