Abychom mohli zkoumat pohyb, musíme umět jednoduše určovat a měřit polohu. Tělesa mohou mít složitý tvar, mohou být pružná a ohebná, třeba jako lidské tělo. Popsat přesně polohu takového tělesa je dost složité. Museli bychom ho modelovat pomocí mnoha bodů. Tak se to dělá při počítačové animaci postavy na základě snímání živého herce – tzv. motion capture (viz obrázek).
Zdroj
Začněme něčím jednodušším: často nás zajímá jen pohyb tělesa jako celku. Pak si můžeme dovolit těleso nahradit jen jedním bodem. To je například při sledování trasy pomocí mobilu (viz obrázek) nebo při pohybu planet kolem Slunce. Pro fyziku je důležitá ještě hmotnost, proto se tento jednoduchý model označuje jako hmotný bod. Ať je těleso sebevětší, jeho rozměry a tvar nás při tomto zjednodušení nezajímají.
Zdroj
Pro popis polohy bodu používáme vynález matematika a filozofa Reného Descarta – kartézské souřadnice. Jde o jednu, dvě nebo tři na sebe kolmé osy. Systém souřadnicových os ještě musíme umístit do konkrétního bodu a určit orientaci všech os. Tím definujeme vztažnou soustavu. Názorně to ukazují následující příklady:
Jednorozměrný pohyb
Jednorozměrný pohyb je takový, který je omezen na přímku nebo křivku. Představte si, že máte za úkol vymyslet systém sledování polohy výtahu. To je nutné pro jeho přesné ovládání. Jak to uděláte? Výtah se pohybuje pouze v jednom směru – po přímce. Proto nám bude stačit jen jedna souřadnice, volba nulové polohy a kladného směru osy x. Těleso kabiny nahradíme vhodně zvoleným bodem, jehož polohu budeme popisovat (viz obrázek). Pokud zadáte např. x = 6,25 m, je tím poloha výtahu zcela jednoznačně určena ve vámi zvolené vztažné soustavě. Pro lepší představu navštivte naši animaci.
Dvourozměrný pohyb
Dvourozměrný neboli dvoudimenzionální (2D) pohyb je omezen na rovinu nebo plochu. Potřebujeme-li například popsat polohu robota pohybujícího se po podlaze výrobní haly, jedná se o pohyb v rovině tvořené podlahou. K popisu polohy jsou zde potřeba dvě osy a samozřejmě také počátek soustavy souřadnic.
Trojrozměrný pohyb
Přidáním třetí souřadnice pak můžeme obdobně popsat polohu v trojrozměrném prostoru (3D). Jako praktický příklad jsme zvolili polohu letadla v prostoru (viz obrázek).
Zdroj
Pro určování polohy na Zemi se místo kartézských souřadnic používají souřadnice sférické. Podstatné je, že souřadnice musí být zase tři, abychom popsali polohu ve třech dimenzích. Jsou to zeměpisná šířka (úhel od –90 do 90 stupňů), zeměpisná délka (úhel od –180 do 180 stupňů) a nadmořská výška (vzdálenost). S tou je trochu problém, protože přesnější by bylo ji nahradit vzdáleností od počátku soustavy souřadnic (středu Země). V čem spočívá výhoda sférických souřadnic v tomto případě? Je možné je změřit (viz měření polohy na Zemi), protože Země má přibližně tvar koule. Navíc nám často při pohybu po zemském povrchu, tedy při dvourozměrném pohybu, stačí dvě souřadnice. To by v kartézských souřadnicích nebylo možné.
Zdroj
Jak můžeme zaznamenat pohyb?
Náš svět je trojrozměrný, proto často pracujeme ve třech dimenzích. My se v této kapitole zatím omezíme jen na studium jednorozměrného pohybu, který je matematicky jednodušší. K pohybu v rovině a v prostoru se vrátíme v kapitolách 14 a 15.
Z předchozí kapitoly už víme, že vzdálenost objektů je možné měřit pomocí sonaru nebo radaru. Budeme tedy sledovat pohyb autíčka na stole pomocí sonaru (viz obrázek).
Zdroj
Zdroj
Pojďme se podívat na záznam pohybu autíčka. V grafu vidíme, jak se měnila jeho poloha v čase. Každé měření polohy je zobrazeno jako jeden bod v grafu. Vzorkovací frekvence byla 7 Hz, to znamená, že jsme polohu měřili 7krát za sekundu. Osa x má počátek v místě sonaru a je orientovaná směrem k autíčku. Získali jsme graf funkce x(t) – závislost polohy x na čase t.
Popište slovy, jak se podle grafu na obrázku autíčko pohybovalo, a určete z grafu o jeho pohybu co nejvíc informací.
Zdroj
Funkce jsou velmi dobrým nástrojem k popisu pohybu, proto si připomeňme jejich důležité vlastnosti.
Funkce jednoznačně přiřazuje hodnotám proměnné x hodnoty proměnné y. Můžeme ji zadat tabulkou, grafem či předpisem:
Zdroj
- x(t) závislost polohy (na ose x) na čase,
- y(t) závislost polohy (na ose y) na čase,
- v(t) závislost rychlosti na čase.
Měřením vždy získáme pouze soubor bodů ve formě dvojic x, y, popřípadě x, t a podobně. Ty můžeme zaznamenat do tabulky nebo grafu, kde se objeví jako jednotlivé body. Předpis funkce nebo graf ve formě spojité křivky je možné doplnit teprve po zpracování změřených dat. Tomu se budeme věnovat v závěru kapitoly.
K popisu pohybu hmotného bodu nám nestačí měřit jeho polohu nebo uraženou dráhu. Potřebujeme ještě zjistit, jak dlouho pohyb trval. Kombinací dráhy a času dostáváme rychlost pohybu. Nejprve si připomeňme průměrnou rychlost vp:
Průměrná rychlost je podíl uražené dráhy s a doby pohybu t.
Jednotkou rychlosti v soustavě SI je m ⋅ s−1. Kromě toho často používáme také km/h. Platí 1 m ⋅ s−1 = 3,6 km ⋅ h−1, neboť: \(\displaystyle 1\ \mathrm{m}\cdot\mathrm{s}^{-1}\) \(\displaystyle = \frac{1/1000\ \mathrm{km}}{1/3600\ \mathrm{h}}\) \(\displaystyle = \frac{3600}{1000}\ \mathrm{km}\cdot\mathrm{h}^{-1}\) \(\displaystyle = 3{,}6\ \mathrm{km}\cdot\mathrm{h}^{-1}\)
| Příklady rychlostí | |
|---|---|
| pohyb africké desky směrem k Evropě cca | 5 cm/rok |
| klidná chůze | 4 km/h |
| vytrvalostní běh (rekreační) | 10 km/h |
| sprint 100 m | 36 km/h |
| gepard ve sprintu | 90 km/h |
| vítr v hurikánu (stupeň 5) | 250 km/h |
| dopravní letadlo (běžná rychlost) | 900 km/h |
| zvuk ve vzduchu | 1 200 km/h |
| sonda Voyager II | 60 000 km/h |
| oběh Země kolem Slunce | 100 000 km/h |
| světlo ve vakuu* | 1 080 000 000 km/h |
V praxi se občas potkáte i s jinými jednotkami rychlosti:
mph = 0,44704 m/s – mile per hour (míle za hodinu), používá se v USA
uzel = 0,51444 m/s – anglicky knot = námořní míle za hodinu, používá se v letectví a mořeplavbě
Určete průměrné rychlosti v m/s:
V následujících úlohách si ukážeme, že průměrná rychlost není průměr rychlostí. Je to vždy celková dráha za celkový čas.
- První část: s1 = 10 km, v1 = 10 km/h.
- Druhá část: s2 = 10 km, v2 = 30 km/h.
Průměrná rychlost je celková dráha za celkový čas. Celková dráha je \(s = s_1 + s_2 = 20\ \mathrm{km}\). Celkový čas t spočítáme jako součet časů t1 a t2:
\[t_1 = s_1/v_1\] \[t_2 = s_2/v_1\] \[ t = t_1 + t_2 = \] \[= s_1/v_1 + s_2/v_1 = 4/3\nobreakspace \mathrm{h} \]Celková průměrná rychlost je pak:
\[v = s/t = 15\nobreakspace \mathrm{km/h} \]Označme vzdálenost z A do B jako s = 10 km. Průměrná rychlost je celková dráha za celkový čas: \[v = \frac{2s}{t}\] Odtud celkový čas \(t = 2s/v = 1\ \mathrm{h}\). Podívejme se teď na cestu tam: doba jízdy je \(t_1 = s/v_1 = 1\ \mathrm{h}\). To ovšem znamená, že ať pojede jakoukoliv rychlostí, tak celkové průměrné rychlosti 20 km/h už nedosáhne.
Při určování rychlosti musíme mít na paměti, že rychlost je relativní veličina – vždy záleží na volbě vztažné soustavy. Například čtenář tohoto odstavce je právě v klidu vzhledem k zemskému povrchu (nečte-li třeba ve vlaku). Přitom vůči Slunci se pohybuje rychlostí kolem 30 000 m/s.
Jak definujeme okamžitou rychlost?
Průměrná rychlost charakterizuje pohyb jako celek na určitém úseku, ale neříká vůbec nic o jednotlivých fázích pohybu. Představme si to na příkladu jízdy autem z Brna do Prahy. Délka trasy po dálnici je 210 km, doba jízdy byla 2 hodiny. Průměrná rychlost tedy vychází 105 km/h, ale o průběhu cesty nevíme nic bližšího. Přesto se řidič v libovolném okamžiku své cesty mohl podívat na tachometr a zjistit, jakou rychlostí jede „právě teď” neboli určit svoji okamžitou rychlost.
Chtěli bychom definovat veličinu, která bude charakterizovat pohyb tělesa v určitém okamžiku, a to včetně směru jeho pohybu. Jak to můžeme udělat? Může nám k tomu pomoci záznam polohy v závislosti na čase. Podívejme se detailně na rozjezd autíčka v grafu x(t):
Zdroj
Zdroj
Okamžitou rychlost určíme pomocí dvou blízkých bodů ve zvoleném místě grafu (Δt je nejmenší možné).
Symbol Δ (delta) se ve fyzice používá pro rozdíl hodnot dané veličiny (\(\Delta x=x_2-x_1\)). Okamžitá rychlost, na rozdíl od průměrné rychlosti, nese i informaci o směru pohybu. Jelikož se pohybujeme jen na jedné ose, má směr pohybu pouze dvě možnosti, které rozlišíme pomocí znaménka (viz obrázek). Indexem x u rychlosti dáváme najevo, že jde o rychlost ve směru osy x. Pokud nehrozí záměna s jinými souřadnicemi (celá tato kapitola), můžeme malé x klidně vynechávat. Definici rychlosti v prostoru najdete v kapitole 14.
Zdroj
Pozorný čtenář by správně namítnul, že název „okamžitá“ v naší definici rychlosti není zcela na místě, neboť definice se vztahuje k určitému časovému intervalu. Prakticky vzato můžeme zvýšením frekvence snímání sonaru časový interval Δt zkrátit. Nikdy ale nebudeme schopni změřit rychlost v jediném okamžiku. Matematici si s tímto problémem umějí poradit pomocí na první pohled velmi podivného pojmu – nekonečně malého časového intervalu dt. Tento pojem stál u zrodu celého nového oboru matematiky na konci 17. století – infinitezimálního počtu. Pro fyziku je podstatné, že něco jako okamžitá rychlost existuje – autíčko se nepohybuje „skoky“ v prostoru, ale spojitě. Uvedená definice se pojmu okamžité rychlosti může přiblížit s libovolnou přesností.
Jak definujeme zrychlení?
Okamžitá rychlost se během pohybu může měnit. Dobře je to vidět na padajícím tělese. Asi nikoho nepřekvapí, že při svém pádu zrychluje. Můžeme to ostatně změřit pomocí sonaru a míče (viz obrázek). Podívejte se na časové závislosti polohy a rychlosti míče během pádu.
Zdroj
Zdroj
Zrychlení definujeme podobně jako okamžitou rychlost, sledujeme změnu rychlosti \(\Delta v=v_2-v_1\) v časovém intervalu \(\Delta t=t_2-t_1\). V našem grafu vidíme, že rychlost rostla docela rovnoměrně – asi o 1 m/s za každou desetinu sekundy. To znamená asi o 10 m/s za jednu sekundu.
Základní jednotkou je m/s/s = m/s2 = m ⋅ s−2 (čteme „metr za sekundu na druhou“ nebo „metr sekunda na mínus druhou“).
Zdroj
Podobně jako u rychlosti můžeme i u zrychlení přímočarých pohybů index x v této kapitole vynechávat. Analogický je i vztah mezi průměrným a okamžitým zrychlením: v případě okamžitého zrychlení musí být Δt co nejmenší, u průměrného zrychlení označuje Δt celkovou dobu zrychlování.
- Jaká bude jeho rychlost po uplynutí 0,2 s, pokud bude volně puštěn dolů?
- Jaká bude jeho rychlost po uplynutí 0,2 s, pokud bude vržen dolů rychlostí 5 m/s?
- Jaká bude jeho rychlost po uplynutí 0,2 s, pokud bude vržen vzhůru rychlostí 5 m/s?
Z definice zrychlení a = Δv/Δt vyplývá, že Δv = a ⋅ Δt. Změnu rychlosti tedy určíme ze zrychlení a času. Konkrétně tedy pro míček Δv = a ⋅ Δt = 2 m/s.
- Volně puštěný míček má počáteční rychlost nulovou, proto výsledná rychlost bude v = 2 m/s.
- Počáteční rychlost míčku směřuje dolů, stejně jako zrychlení. Proto výsledná rychlost bude v = 5 m/s + 2 m/s = 7 m/s
- Počáteční rychlost míčku směřuje vzhůru, tedy opačně než zrychlení. Proto výsledná rychlost bude v = −5 m/s + 2 m/s = −3 m/s. Záporné znaménko nám říká, že směr rychlosti bude vzhůru, neboť osu x jsme zvolili směrem dolů (sami se můžete přesvědčit dosazením většího času za Δt, že míček se po nějaké době začne pohybovat směrem dolů a rychlost změní znaménko na kladné).
U automobilů je zvykem udávat dobu t, za kterou zrychlí z 0 na 100 km/h. Určete průměrné zrychlení aut v základních jednotkách pro tyto případy:
- Škoda Octavia 1,5 TSI: t = 8,7 s.
- Tesla model S: t = 2,6 s.
Stačí dosadit do definice zrychlení a = Δv/Δt. Musíme ale použít správné jednotky: Δv = 100 km/h ≈ 28 m/s. Proto:
- a = 3,2 m/s2.
- a = 10,7 m/s2.
Nejdřív určíme Δv = 72 km/h − 90 km/h = −18 km/h = −5 m/s. Záporné znaménko je v pořádku, říká nám, že vlak zpomaluje. Potřebné zrychlení je a = Δv/Δt = −0,5 m/s2.
Je přirozené si zvolit orientaci osy x ve směru pohybu. Potom okamžitá rychlost vx je kladná a zrychlení ax je kladné, když těleso zrychluje, a záporné, když zpomaluje. Záporné zrychlení tedy znamená zpomalování. Pokud ovšem těleso začne couvat čili pohybovat se proti směru osy x, je vx záporné, a pokud se navíc tato rychlost v záporném směru zvětšuje, musí být při takovém zrychlování ax záporné. Přehledně to ilustruje následující pohyb výtahu.
Zdroj
Jak z grafu pro rychlost určíme změnu polohy?
Graf v(t) má ještě jednu užitečnou vlastnost. Můžeme pomocí něj počítat změnu polohy tělesa nebo také uraženou dráhu.
Celková změna polohy Δx je rovna obsahu plochy pod křivkou v grafu v(t).
Zdroj
K odvození nám pomůže další obrázek:
Zdroj
Zdroj
Prakticky si vše vyzkoušíme ve dvou úlohách:
Majitel elektromobilu si dal záležet, aby jeho rozjezd probíhal plynule. Díky tomu můžete z grafu jeho rychlosti snadno určit, jakou vzdálenost ujel během prvních tří sekund od startu.
Zdroj
Uraženou dráhu určíme jako obsah plochy pod křivkou. V tomto případě jde o obsah pravoúhlého trojúhelníku: s = S = 1/2 ⋅ 20 m/s ⋅ 3 s = 30 m.
Hráč baseballu vyhodil míč svisle vzhůru a poté jej zase chytil. Graf ukazuje okamžitou rychlost míče v závislosti na čase (osa x směřovala vzhůru). Z grafu určete:
- jak vysoko míč vyletěl,
- jakou urazil celkovou dráhu.
Zdroj
V této úloze se objevuje záporná rychlost. Už víme, že to znamená pohyb proti směru zvolené osy x. Vidíme, že míč 1,5 s letěl vzhůru a zpomaloval, pak se otočil a 1,5 s letěl zase dolů a zrychloval. Výšku výstupu míče proto spočítáme jako obsah pravoúhlého trojúhelníku: s = S = 1/2 ⋅ 15 m/s ⋅ 1,5 s = 11,25 m. Celková uražená dráha je logicky dvojnásobná, tedy 22,5 m.
Poznámka: Let směrem dolů je v grafu reprezentován shodným trojúhelníkem jako let vzhůru, pouze pod osou x. Pokud bychom jeho obsah započítali se záporným znaménkem, vyjde nám celková změna polohy Δx = 0, a to je správně – míč se vrátil zpět na původní místo. Pokud jeho plochu započítáme s kladným znaménkem, vyjde nám uražená dráha.
Jak měříme rychlost a zrychlení?
Polohu umíme měřit pomocí sonaru či radaru. Jak můžeme měřit rychlost? Použijeme definici okamžité rychlosti v = Δx/Δt a rychlost vypočítáme ze změny polohy Δx (takto funguje například tachometr nebo GPS). Rychlost je možné měřit také například pomocí Dopplerova jevu (policejní radar).
Také zrychlení můžeme vypočítat pomocí změny rychlosti Δv. Můžeme ho měřit pomocí akcelerometru. Ten funguje na základě měření síly a jeho princip je na obrázku. Při zrychleném pohybu dochází k deformaci nosníku (viz obrázek). Deformace nastává taky působením gravitace. Díky tomu můžeme měřit jak zrychlení, tak gravitační pole (akcelerometr je od sebe nedokáže odlišit). Z toho vyplývá i často používaná jednotka zrychlení g = 9,8 m/s2. Pro měření zrychlení v libovolném směru je potřeba trojosý akcelerometr (viz obrázek). Ten je součástí každého chytrého telefonu jako součástka o rozměrech několika milimetrů. Díky tomu telefon pozná svoji orientaci v gravitačním poli, ale můžete s ním pomocí vhodné aplikace také měřit zrychlení při pohybu.
Zdroj
Jako akcelerometr funguje i lidské tělo. Nedokáže vnímat rychlost, kterou se pohybuje, ale dokáže vnímat velikost a směr zrychlení. Jednak pomocí rovnovážného ústrojí, které se nachází v uchu, a jednak pomocí deformace celého těla. Velké zrychlení si užíváme například při jízdě na horské dráze. Pokud je ale zrychlení příliš velké, nastávají problémy. Například při dopravní nehodě dojde k prudkému zpomalení auta, které nám může způsobit vážná zranění. Některé hodnoty zrychlení (v jednotkách g) uvádíme v tabulce.
| rozjezd závodního auta | až 2 g |
| horská dráha | až 4 g |
| limit pro leteckou akrobacii | 12 g |
| dopravní nehoda | až 100 g |
V předchozí části jsme používali časové závislosti x(t), v(t), tedy funkce popisující časový vývoj sledovaných veličin. Teď budeme hledat předpisy pro funkce popisující některé jednoduché druhy pohybu. Proč se hledáním předpisů vůbec zabývat? Umožní nám mnohem elegantnější řešení úloh o pohybu a také lepší porozumění jednotlivým druhům pohybů. A v neposlední řadě také předvídat chování tělesa.
Jak popsat rovnoměrný pohyb?
Rovnoměrný pohyb znamená pohyb stále stejně velkou rychlostí. V případě pohybu v prostoru se může měnit směr rychlosti, například auto může zatáčet, přesto velikost rychlosti může být stálá – jde stále o rovnoměrný pohyb. To je vše, co potřebujeme vědět, zbytek si snadno odvodíme sami pomocí tohoto příkladu:
Chodec vyráží z polohy x0 = 10 m a pohybuje se stálou rychlostí 2 m/s ve směru osy x. Nakreslete graf x(t).
Zdroj
Rychlost 2 m/s znamená, že po uplynutí 1 s se pohne o 2 m. Jeho poloha se tím změní z x = 10 m na x = 12 m, atd. To můžeme znázornit v grafu takto:
Zdroj
Tento výsledek představuje lineární funkci a můžeme ho zobecnit pro libovolný rovnoměrný pohyb.
- \(x(t) = vt + x_0\), kde x0 je počáteční poloha a v je neměnná rychlost pohybu.
- \(v(t) = v = \mathrm{konst.}\)
Zdroj
Všimněte si podobnosti se vzorcem s = vt, neboť dráha s je u přímočarého pohybu vzdálenost mezi počáteční a aktuální polohou (\(s = x(t) - x_0\)). Počáteční poloha hraje roli zejména při pohybu dvou a více těles, jak ukazuje následující úloha o pohybu.
Polohu obou aut můžeme popsat pomocí funkcí x(t), kdy osa x bude začínat v místě činu a čas nula bude odpovídat okamžiku, kdy z místa činu vyjelo policejní auto:
Zloděj: \(x_1(t) = v_1t+x_1\), kde v1 = 40 m/s a x1 = 1500 m.
Policie: \(x_2(t) = v_2t\), kde v2 = 45 m/s.
K setkání dojde v takovém okamžiku, kdy \(x_1(t) = x_2(t)\). Proto \[ \begin{aligned} v_1t + x_1 &= v_2t\\ x_1 &= v_2t - v_1t\\ x_1 &= (v_2-v_1)t\\ t &= \frac{x_1}{v_2-v_1}\\ t &= 300\ \mathrm{s}\\ \end{aligned} \]Pro výpočet polohy setkání můžeme zvolit jak policii, tak zloděje. Jejich polohy musí být stejné, což nám poslouží jako kontrola správnosti: \(x_2(t) = v_2t = 13\,500\ \mathrm{m}\), \(x_1(t)=v_1t+x_1=13\,500\ \mathrm{m}\).
Závěr: Policie dohoní zloděje za 300 s ve vzdálenosti 13 500 m od místa činu.
Zdroj
Jak popsat rovnoměrně zrychlený pohyb?
Rovnoměrně zrychlený pohyb je pohyb se stálým zrychlením. To znamená, že rychlost se mění, ale poměr Δv/Δt zůstává stále stejný. Pokud těleso zpomaluje, mluvíme o rovnoměrně zpomaleném pohybu. Názornou představu o rovnoměrně zrychleném pohybu nám dá příklad padajícího kamene.
Kámen padá se stálým zrychlením a = g = 10 m/s2. Načrtněte grafy x(t), v(t) pro tento pohyb. Tip: začněte od rychlosti, polohu si nechte na konec. Začneme tedy od rychlosti. Zrychlení 10 m/s2 znamená, že za 1 s se rychlost zvětší o 10 m/s, za další 1 s o dalších 10 m/s, atd. To můžeme znázornit v grafu takto:
Zdroj
Nyní se podíváme na polohu. Už víme, že je možné ji určit z grafu rychlosti jako obsah plochy pod křivkou. V našem případě padajícího kamene plochu spočítáme snadno jako obsah pravoúhlého trojúhelníku (viz obrázek). Například v čase t = 1s je plocha 0,5 ⋅ 1s ⋅ 10m/s = 5 m. V čase 2 s už je to 0,5 ⋅ 2s ⋅ 20m/s = 20 m, atd. Po dopočítání několika dalších hodnot vidíme, že křivka není „rovná”, možná v ní někteří poznáváte parabolu.
Zdroj
Právě jsme vyřešili rovnoměrně zrychlený pohyb v jeho jednoduché podobě s nulovou počáteční rychlostí a polohou. V grafech můžeme nalézt i předpisy funkcí:
Pro jednoduchý rovnoměrně zrychlený pohyb s nulovou počáteční rychlostí i polohou platí:
Pro rychlost \(\displaystyle v(t) = at\) (lineární funkce).
Pro polohu \(\displaystyle x(t) = \frac{1}{2} at^2\) (kvadratická funkce).
Jak by se situace změnila, pokud by byl kámen vržen svisle počáteční rychlostí v0 z počáteční polohy x0? Ke zrychlenému pohybu se jednoduše „přičte” ještě pohyb rovnoměrný (viz obrázek),
Zdroj
a dostaneme obecné předpisy:
Při rovnoměrně zrychleném pohybu platí:
Pro rychlost \(\displaystyle v(t) = at + v_0\), kde v0 je počáteční rychlost, a je neměnné zrychlení.
Pro polohu \(\displaystyle x(t) = \frac{1}{2} at^2 + v_0t + x_0\), kde x0 je počáteční poloha, v0 je počáteční rychlost.
Zdroj
Závislost polohy na čase obsahuje druhou mocninu t, takové funkci říkáme kvadratická a jejím grafem je vždy část paraboly. Můžete si sami snadno ověřit, že pokud dosadíte a = 0, dostanete funkce pro rovnoměrný pohyb. Vliv zrychlení a počáteční rychlosti na podobu grafů můžete prozkoumat v appletu a procvičit v následujících úlohách.
Vlak se nachází na trati v poloze x0 = 1 500 m a jeho rychlost je v0 = 90 km/h ve směru osy x. V tomto místě začíná zrychlovat se zrychlením a = 2 m/s2 až na rychlost 180 km/h. Načrtněte grafy x(t), v(t) pro tento pohyb. Napište také předpisy uvedených funkcí.
Rychlost musíme převést na m/s: v0 = 90 km/h = 25 m/s, v1 = 180 km/h = 50 m/s. Teď zbývá dosadit:
Poloha: \(\displaystyle x(t) = \frac{1}{2} at^2 + v_0t + x_0\) \(\displaystyle = 1t^2 + 25t + 1500\ (\mathrm{m})\)
Rychlost: \(v(t) = at + v_0 = 2t + 25\ (\mathrm{m/s})\)
Pokud se těleso pohybuje ve směru osy x, ale brzdí, jedná se o speciální případ rovnoměrně zrychleného pohybu. Platí stejné vzorce, jen zrychlení musíme opatřit záporným znaménkem.
Auto jede rychlostí v0 = 90 km/h a brzdí se zrychlením a = 2 m/s2 až do zastavení. Načrtněte grafy x(t), v(t) pro tento pohyb.
Ještě připomeňme, že složitější druhy pohybu, kdy se zrychlení mění, dokážeme také popsat, ale jen pomocí grafů. Předpisy těchto funkcí určit v tuto chvíli nedokážeme. Co se týče rovnoměrně zrychleného pohybu, zbývá nám vyřešit ještě pár důležitých příkladů. První z nich je drobnou modifikací úlohy o padajícím kameni. Pohyb zůstává stejný, mění se jen známé a neznámé veličiny.
- Kámen padá se zrychlením a = g = 10 m/s2 z výšky 15 m. Za jak dlouho a jakou rychlostí dopadne?
- Kámen padal se zrychlením a = g = 10 m/s2. Bylo změřeno, že za 1,2 s dopadnul. Z jaké výšky padal?
- Kámen volně upuštěný na neznámé planetě dopadl z výšky 10 m rychlostí 8,6 m/s. Jaké je na planetě zrychlení?
a) Zvolíme osu x s počátkem v původní poloze kamene (15 m nad zemí) orientovanou směrem dolů. Pro polohu kamene pak platí \(x(t) = \frac{1}{2} gt^2\). V okamžiku dopadu musí platit: \(x(t) = h = 15\ \mathrm{m}\). Proto \(h = \frac{1}{2} gt^2\), a odtud
\(\displaystyle t = \sqrt{\frac{2g}{h}}\) \(t = 1{,}73\ \mathrm{s}\).
Rychlost kamene bude: \(v(t) = gt = 17{,}3\ \mathrm{m/s}\).
b) Situace je stejná jako v předchozí variantě, změnila se pouze neznámá. Do vztahu \(h = \frac{1}{2}gt^2\) můžeme přímo dosazovat: h = 7,2 m.
c) Opět podobná situace, tentokrát neznáme zrychlení a ani čas, známe výšku h a rychlost v. Ze vzorce \(v = at\) proto musíme vyjádřit neznámou t a dosadit do druhého vztahu: \(\displaystyle h = \frac{1}{2}at^2 = \frac{1}{2}a\left(\frac{v}{a}\right)^{\!2} = \frac{1}{2}\frac{v^2}{a}\).
Teprve teď můžeme vyjádřit neznámou a: \(\displaystyle a = \frac{v^2}{2h} = 3{,}7\ \mathrm{m/s^2}\).
Vypočítejte brzdnou dráhu auta, které jede rychlostí 90 km/h, za následujících podmínek: reakční doba řidiče je 0,5 s. (Reakční doba je čas od spatření překážky do sešlápnutí brzdy.) Zrychlení auta při prudkém brždění na suché silnici je 5 m/s2 (předpokládáme rovnoměrně zpomalený pohyb). Sledovaný úsek silnice má délku 850 m. Doplňte také grafy v(t) a x(t).
Brzdná dráha se bude skládat ze dvou částí. Nejdřív auto 0,5 s jede stálou rychlostí 90 km/h = 25 m/s. Přitom urazí dráhu \(s_1 = v_1t_1 = 12{,}5\ \mathrm{m}\).
Potom auto brzdí se zrychlením 5 m/s2, dokud nezastaví. Pro zrychlení platí \(a = \Delta v/\Delta t\), odtud \(\Delta t = \Delta v/a = 5\ \mathrm{s}\), označíme si tento čas jako t2 = 5 s. Uražená dráha při zpomalování bude \(s_2 = v_1t_2 - \frac{1}{2} at^2 = 62{,}5\ \mathrm{m}\).
Celková brzdná dráha je \(s = s_1 + s_2 = 75\ \mathrm{m}\).
Nakonec tu máme opět úlohu o pohybu dvou těles, tentokrát se zpomalujícím rychlíkem. Úlohu vyřešíme pomocí kvadratické rovnice a taky pomocí počítače, který nám pomůže vykreslit grafy funkcí.
Strojvůdce rychlíku jedoucího rychlostí 108 km/h spatří před sebou ve vzdálenosti 180 m nákladní vlak jedoucí stejným směrem rychlostí 32,4 km/h. Rychlík začne brzdit se zrychlením o velikosti 1,2 m/s2. Dojde ke srážce?
Rychlík: \(x_\mathrm{R} = v_\mathrm{R}t - \frac{1}{2}at^2 \), kde vR = 108 km/h = 30 m/s.
Nákladní vlak: \(x_\mathrm{N} = x_0 + v_\mathrm{N}t \), kde x0 = 180 m a vN = 32,4 km/h = 9 m/s.
Grafické řešení: Vykreslíme
xR = 30t − 0,6t2 (m)
xN = 180 + 9t (m)
Zdroj
Početní řešení: xR = xN
30t − 0,6t2 = 180 − 9t
0,6t2 − 21t + 180 = 0
Rovnice má dvě řešení t1 = 15 s, t2 = 20 s.
Závěr: Ke srážce dojde za 15 s.



