Праволинейно движение
⚖️ Падащият камък е твърде бърз за очите – и за часовниците от XVII век. Затова Галилео Галилей решава да „забави“ падането. В книгата си „Беседи за две нови науки“ (1638) той описва как пуска бронзово топче по гладък жлеб в наклонена дъска, дълга около 12 лакътя, а времето мери, като събира и претегля водата, изтекла от съд през тънка тръбичка. Резултатът го изненадва: пътищата, изминати през равни интервали време, се отнасят като нечетните числа 1 : 3 : 5 : 7. Това е първият закон за ускореното движение, открит с опит.
1. Положение, път и преместване
За да опишем движение, ни трябва отправна система: тяло, спрямо което мерим (пътят, перонът, Земята), ос с посока и часовник. При движение по права положението се задава с една координата , която може да е и отрицателна.
Преместване и път
Средна скорост
Пример
Кола изминава 60 km с 60 km/h и после още 60 km с 40 km/h. Каква е средната ѝ скорост?
- ,
- , а не 50 – с по-ниската скорост колата се движи по-дълго.
2. Равномерно движение
Закон за равномерното движение
Най-удобният начин да решаваме задачи за срещане и догонване е да запишем закона за движение на всяко тяло в една и съща отправна система и да приравним координатите им.
Пример
От София и от Пловдив, които са на около 150 km един от друг по магистралата, едновременно тръгват една срещу друга две коли: от София със 100 km/h, от Пловдив с 80 km/h. Кога и къде ще се срещнат?
- Оста е от София към Пловдив: , (в km и h).
- При срещата :
- от София.
3. Ускорение и равноускорително движение
Ускорение
Равноускорително движение ( = const)
Втората формула следва от графиката: лицето под правата е с лице . На езика на математическия анализ скоростта е на положението, , а ускорението – производната на скоростта (виж Производни и Интеграли).
При t = 3 s скоростта е 0 – колата спира за миг и тръгва обратно. Там графиката на x има връх.
💡 Пунктирът показва цялото движение, а плътната линия – изминалото до момента. Синята стрелка е скоростта, червената – ускорението: когато сочат в различни посоки, колата се забавя.
Пример
Кола се движи с 20 m/s и спира равнозакъснително със забавяне 5 m/s². За колко време и на какво разстояние спира?
- Проверка с третата формула: ✓
4. Спирачен път и безопасност
Докато шофьорът осъзнае опасността и премести крака на спирачката, минава около секунда. През това време колата се движи с пълна скорост. Затова опасният път има две части: път на реакцията и спирачен път . Втората расте с квадрата на скоростта – при двойно по-висока скорост спирачният път е 4 пъти по-дълъг.
Колата спира 2,3 m преди препятствието.
💡 Докато шофьорът реагира (около 1 s, а с телефон в ръка – много повече), колата се движи с постоянна скорост. После спира с постоянно забавяне, което зависи от пътя. Лицето под графиката на скоростта е изминатият път. Пробвай 50 и 60 km/h при препятствие на 28 m.
Пример
Кола с 50 km/h едва успява да спре пред препятствие (реакция 1 s, забавяне 7 m/s²). С каква скорост ще удари същото препятствие кола, която кара с 60 km/h?
- При 50 km/h (): – на толкова е препятствието.
- При 60 km/h () за реакцията колата изминава и има само за спиране.
- Само 10 km/h повече в началото – и вместо да спре, колата удря с 40 km/h.
5. Свободно падане
Свободно падане
Тяло, хвърлено нагоре, се движи със същото ускорение , насочено надолу, през цялото време – и при качването, и в най-високата точка, и при спускането. На други планети е различно (виж Гравитация).
Пример
Топка е хвърлена право нагоре с 20 m/s (). Кога спира, колко високо стига и кога се връща?
- до най-високата точка
- Движението е симетрично: обратно пада пак за 2 s, т.е. се връща след 4 s със скорост 20 m/s надолу.
Свободното падане дава и прост начин да измериш реакцията си: приятел пуска линийка между пръстите ти, а от изминатия път намираш времето .
Линийката пада свободно: за 0,1 s изминава само 4,9 cm, а за 0,2 s – вече 19,6 cm.
💡 Натисни „Готов“ и след случайно чакане линийката ще падне – натисни „Хвани!“ възможно най-бързо. От изминатия път пресмятаме времето: t = √(2d/g). На екран реакцията е малко по-бавна, отколкото с истинска линийка, защото има закъснение и от мишката и монитора. Пробвай с приятел и истинска 30-сантиметрова линийка!
6. Тренажор
Пресметни исканата величина. Десетичните отговори въвеждай като 12,5.
Хвърлено право нагоре:
7. Движението около нас
🛣️ Пътуване по магистрала
Кола изминава 280 km. Първите 200 km кара със 140 km/h, а последните 80 km попада в задръстване и се движи с 40 km/h. Каква е средната ѝ скорост?
🛫 Излитане
Самолет тръгва от покой и се ускорява равномерно с 2,5 m/s². За да излети, му трябва скорост 75 m/s (270 km/h). След колко секунди излита и колко дълга писта му трябва?
🪨 Кладенец
Пускаш камък в кладенец и той цопва във водата след 2 s. Колко дълбок е кладенецът до водата? (, времето за звука пренебрегваме.)
🚸 Дете на пътя
Шофьор кара с 50 km/h по сух път и вижда дете, което изтичва на пътя. Реакцията му е 1 s, а колата спира със забавяне 7 m/s². Колко метра изминава колата до пълното спиране?
⚽ Топка нагоре
Хвърляш топка право нагоре със скорост 15 m/s. Колко високо ще се издигне? (, без съпротивление на въздуха.)
🏃 Догонване
Сестра ти е тръгнала пеша със скорост 1,5 m/s и е на 100 m пред теб. Ти тичаш след нея с 5 m/s. След колко секунди ще я настигнеш?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
8. ⚠️ Чести грешки
Средна скорост
✗
✓ Цял път през цяло време: при равни пътища
Път и преместване
✗ отиване и връщане по 5 km: преместване 10 km
✓ пътят е 10 km, а преместването е 0
Знак на ускорението
✗ значи забавяне
✓ забавяне има, когато и са с различни знаци
Най-високата точка
✗
✓ там , но – иначе топката би останала във въздуха
Забравена начална скорост
✗ винаги
✓ ; без само при старт от покой
km/h във формулата
✗
✓ първо :
9. 🎯 Бърз тест
Какво показва наклонът на графиката на положението ?
10. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
11. Обобщение
- ✓ Преместването има знак, пътят – не; средната скорост е целият път през цялото време
- ✓ Равномерно движение: ; наклонът на е скоростта
- ✓ , ,
- ✓ Лицето под е преместването; наклонът на е ускорението
- ✓ Опасен път = ; спирачният път расте с квадрата на скоростта
- ✓ Свободно падане: за всички тела, насочено надолу и в най-високата точка
💡 Интересен факт
На 10 декември 1954 г. американският военен лекар Джон Пол Стап се качва на ракетна шейна, ускорява до около 1017 km/h и спира за около 1,4 s. В пика забавянето му е около 46 – тялото му за миг „тежи“ 46 пъти повече. Стап оцелява с временни увреждания на очите, а опитите му показват, че човек може да издържи много по-големи претоварвания, отколкото се е смятало. Те помагат за въвеждането на предпазните колани в колите.