Kaugus vs nihe: milline on erinevus ja miks see on oluline (skeemiga)

Füüsika keskmes on objektide liikumise kirjeldamine läbi ruumi nende asukoha, kiiruse ja kiirenduse järgi aja funktsioonina.

Kui sajandid edenesid ja inimesed laiendasid oma käsutuses olevate vaatlusvahendite jõudu, püüdles see täpselt õppimise poolemidaobjektid teevad füüsilises ruumis jamillalon kasvanud hõlmama äärmiselt väikseid objekte, nagu aatomid ja isegi nende komponendid, mille tulemusena tekib kogu kvantfüüsika ehk kvantmehaanika valdkond.

Esimesed asjad, mida füüsikaüliõpilane õpib, on ikkagi Newtoni mehaanika põhiseadused ja võrrandid. Seega algab tavaliselt ühemõõtmelise liikumisega ja liigub edasi kahemõõtmelisena (üles-alla ja küljelt-küljele) nagu mürskude liikumine, tutvustades Maa ainulaadset gravitatsioonikiirendust 9,8 meetrit sekundis sekundis (Prl²).

Kui olete saanud oskuse neid koos kasutada liikumise ja klassikalise mehaanika olemuse uurimisel, olete arenenud parem hindamine esmapilgul tühistena tunduvate, kuid tegelikult kõike muud kui tühiste erinevuste, näiteks erinevuste vahelkaugusjanihe​.

Kaugus ja nihe on füüsikas tavaliselt segased mõisted, mis on korrektsuse saavutamiseks olulised. Kaugus on askalaarkogus, objekti läbitud kogu vahemaa; nihe on avektori kogus, lühim tee sirgjoonena algasendi ja lõppasendi vahel.

Vektorkoguse ja skalaarkoguse erinevus seisneb selles, et vektorkogused sisaldavad teavet suuna kohta; skalaarkogused on lihtsalt arvud. "Poolnooled" muutuja kohal näitavad, et tegemist on vektorkogusega. Kogu nihke avaldisrx-i y-koordinaattasandil oleva osakese vektornoteeringus on:

Siin,ijajon "ühikvektorid" vastavalt x- ja y-suunas; neid kasutatakse antud vektorkoguse komponentide joonistamiseks, mis osutab muus suunas kui telg ja nende enda suurus on kokkuleppeliselt 1.

Kõik, mis liigub kindla tugiraami suhtes, katab kaugust. Inimesel, kes liigub edasi-tagasi kiirusega 2 m / s ja ootab bussi saabumist ning pidevalt tagasi samasse kohta, on kiirus 2 m / s, kuid kiirus 0. Kuidas on see võimalik?

Füüsikud kasutavad objekti nihke arvutamiseks alg- ja lõppasendit, mis on vaid lühim tee selle algsest asendistaoma lõplikku seisukohtab​ ​isegi kui objekt ei läinud sinna jõudmiseks seda otsest sirgjoonelist rada. Nihkumine võtab matemaatiliselt vormi d = x_f - x_ivõi horisontaalne nihe on võrdne lõpppositsiooniga miinus algpositsioon).

Läbitud vahemaa on arvutamiseks vajalikkeskmine kiirus(st kogu distants teatud aja jooksul). Nii kaugus kui ka kiirus on skalaarsed suurused, seega leidub neid loomulikult koos. Selle leidmiseks on vaja nihetlõplik seisukohtobjekti kohta; see ei ütle mitte ainult kaugust lähtepositsioonist, vaid ka netosuunda.

Kuna nihe on vektorkogus, tuleb keskmise kiiruse, teise vektorkoguse leidmiseks kasutada seda, mitte kaugust.Keskmine kiirus on objekti kogu nihkumine teatud aja jooksul.Kui sõidate jalgrattaga tund aega ümber ovaali ja läbite 20 miili, on teie keskmine kiirus 20 mi / h, kuid teie keskmine kiirus on null, kuna algusest peale pole ümberpaigutamist piisavalt asend.

Sarnaselt võib öelda, et kui liiklusmärkidel oleks sortide "SPEED LIMIT" asemel "VELOCITY LIMIT", oleks kiiruseületamise piletist palju lihtsam välja tulla. Kõik, mida peate tegema, on veenduda, et tõmbasite samasse kohta, kus ohvitser teid kõigepealt märkas, ja võite seda teha väidate, et kui teekonna kaugus kõrvale jätta, on teie nihe selgelt null, muutes teie kiiruse nulliks määratlus. (Okei, võib-olla mitte nii hea idee erinevatel põhjustel!)

Mõelge järgmistele stsenaariumidele:

• Auto sõidab kolm kvartalit põhja ja neli kvartalit itta. Summakaugusobjektil on 4 + 3 = 7 plokki. Aga kokkuniheon lühim vahemaa auto alguse ja lõpu punktist, mis on diagonaaljoon, täisnurga kolmnurga hüpotenuus jalgadega 3 ja 4. Pythagorase teoreemist 3² + 4² = 25, seega on hüpotenuusi pikkus selle väärtuse ruutjuur, mis on 5. Nihkevektor osutab algpositsioonist lõppasendisse.

• Inimene kõnnib oma maja juurest põhja poole 100 meetri kaugusel pargini ja naaseb seejärel koju, enne kui jätkab 20 meetrit lõunasse posti kontrollimiseks. FitBit või GPS-kell näitaks kogu läbitud vahemaad 100 m + 100 m + 20 m = 220 m. Kuid kui alguspunkt on maja, mis asub alguspunktis (koordinaattasandil punkt 0, 0) ja lõppasend on postkasti, mis asub (0, −20), jõuab inimene oma asukohast vaid 20 meetri kaugusele, muutes kogu nihke −20 m.

Negatiivne märk on oluline, kuna pargi X-teljele positiivses suunas paigutamiseks valiti võrdlusraam. Selle oleks võinud korraldada ka vastupidi, sel juhul oleks inimese nihe −20 m asemel + 20 m.

• Sportlane jookseb enne hommikusööki (25 ringi) 10 km tavalisel 400 meetri rajal.

Mis onkogu vahemaanad reisisid? (10 kilomeetrit.)

Mis ontotaalne nihe?(0 m, ehkki jooksjale pärast võistlust selle meelde tuletamine võib olla mõistlik!) 

Objekti asukoha määramine ruumis on lähtepunkt lugematute füüsikaprobleemide jaoks. Enamasti kasutatakse algus- ja vaheharjutustes ühemõõtmelist (ainult x) või kahemõõtmelist (x ja y) süsteemid, et probleemid ei oleks liiga keerulised, kuid põhimõtted laienevad ka kolmemõõtmelisele ruumile hästi.

Kahemõõtmelises ruumis liikuvale osakesele saab määrata x- ja y-koordinaadid selle asukoha, positsiooni muutumiskiiruse (kiirusv) ja selle kiiruse muutumise kiirus (kiirendusa). Aeg on muidugi sildistatudt​.

Suur osa klassikalisest füüsikast tugineb võrratuid liikumist kirjeldavatele võrranditele, mille tuletasid suur teadlane ja matemaatik Isaac Newton. Newtoni liikumisseadused on füüsika jaoks sama, mis DNA geneetika: need sisaldavad suurema osa loost ja on selle jaoks hädavajalikud.

​Newtoni esimene seadusütleb, et iga objekt jääb puhkeolekus või ühtlases liikumises sirgjooneliselt, välja arvatud juhul, kui sellele mõjub väline jõud.Newtoni teine ​​seaduson üldsuse seas neist kolmest kõige vähem tunnustatud, sest seda ei saa lihtsalt lihtsaks fraasiks taandada, ja väidab selle asemel, etvõrk​ ​jõud võrdub massi ja kiirenduse korrutisega​:

Kolmas seadus ütleb, et igal looduse toimel (s.t jõul) on võrdne ja vastupidine reaktsioon.

Objekti konstantsel kiirusel asukohta esindab lineaarne seos:

kus x₀ on nihe ajahetkel t = 0.

See võtab arenenud füüsikas suurema tähenduse, kuid on oluline rõhutada, et kui füüsikud kuulutavad, et midagi on "sees" liikumine "- need tähendavad koordinaatide süsteemi või muud tugiraami suhtes, mis on fikseeritud probleem. Näiteks on õiglane öelda, et kui tee kiirusepiirang on 100 km / h, tähendab see seda, et Maad ennast, ehkki absoluutarvudes selgelt mitte paigal, koheldakse sellisena kontekstis.

Albert Einstein on kõige paremini tuntud oma relatiivsusteooria poolest ja tema erirelatiivsusteooria idee oli üks murrangulisemaid moodsa mõtlemise ajaloos. Viiteraame oma töösse lisamata poleks Einstein suutnud 20. sajandi alguses Newtoni võrrandeid sobivaks kohandadarelativistlikosakesed, mis tegelevad väga suure kiiruse ja väikese massiga.