物理学は、その核となるのは、時間の関数としての位置、速度、および加速度の観点から、空間を通るオブジェクトの動きを説明することです。
何世紀にもわたって、人間が自由に使える観察ツールの力を拡大するにつれて、この正確な学習の追求は何オブジェクトは物理空間で実行されており、いつ原子やその成分などの非常に小さな物体を含むように成長し、その結果、量子物理学または量子力学の分野全体が生まれました。
それでも、物理学の学生が最初に学ぶことは、ニュートン力学の基本法則と方程式です。 したがって、通常は1次元の動きから始まり、2次元（上下および左右）の動きに移ります。 投射物の動きなど、毎秒9.8メートルの地球独自の重力加速度を導入 （MS2).
運動と古典力学の性質の研究でこれらを協調して使用することに熟練すると、あなたは発達したでしょう 一見些細なことのように見えますが、実際には些細なことではない違い、たとえば距離そして変位.
距離対。 変位
距離と変位は、物理学では一般的に混同される用語であり、正しく理解するために重要です。 距離はスカラー量、オブジェクトが移動した合計距離。 変位はベクトル量、開始位置と最終位置の間の直線の最短経路。
ベクトル量とスカラー量の違いは、ベクトル量には方向に関する情報が含まれていることです。 スカラー量は単なる数値です。 変数の上にある「半矢印」は、それがベクトル量であることを示します。 総変位の式rベクトル表記でのx、y座標平面内の粒子の次のとおりです。
\ vec r = x \ hat i + y \ hat j
ここに、私そしてjそれぞれx方向とy方向の「単位ベクトル」です。 これらは、軸以外の方向を指す特定のベクトル量の成分を描画するために使用され、慣例により、それら自体の大きさは1です。
距離との計算 変位の計算
固定された参照フレームに対して移動するものはすべて、距離をカバーしています。 バスが到着するのを待って2m / sで前後に歩調を合わせ、同じ場所に継続的に戻る人の速度は2 m / sですが、速度は0です。 これはどのように可能ですか？
物理学者は、初期位置と最終位置を使用して、オブジェクトの変位を計算します。これは、初期位置からの最短経路です。a最終的な位置にb オブジェクトがそこに到達するためにこの直接の直線的なパスをとらなかったとしても. 変位は数学的にd = xの形式を取りますf - バツ私、または水平変位は、最終位置から初期位置を引いたものに等しくなります）。
区別が重要な理由
計算には移動距離が必要です平均速度（つまり、一定期間の合計距離）。 距離と速度はどちらもスカラー量であるため、自然に一緒に検出されます。 を見つけるには変位が必要です最終位置オブジェクトの; 開始位置からの距離だけでなく、正味の移動方向も示します。
変位はベクトル量であるため、距離ではなく、変位を使用して、別のベクトル量である平均速度を見つける必要があります。平均速度は、一定期間におけるオブジェクトの総変位です。楕円形の周りを1時間自転車に乗って、20マイルを走行する場合、平均速度は20です。 mi / hrですが、最初から変位がないため、平均速度はゼロです。 ポジション。
同様に、道路標識に「SPEED LIMIT」ではなく「VELOCITYLIMIT」が含まれていると、スピード違反の切符から抜け出すのがはるかに簡単になります。 あなたがしなければならないのは、あなたが役員が最初にあなたを見つけたのと同じ場所に引っ張ったことを確認することです、そしてあなたはそうすることができました あなたの旅行の距離はさておき、あなたの変位は明らかにゼロであり、あなたの速度をゼロにすることを主張します 定義。 （さて、さまざまな理由でそれほど良い考えではないかもしれません！）
距離と変位：例
次のシナリオを検討してください。
- 車は北に3ブロック、東に4ブロック運転します。 合計距離オブジェクトの移動は4+ 3 = 7ブロックです。 しかし、合計変位は、車が走行を開始および終了する場所からの最短距離です。これは対角線であり、脚3と4を持つ直角三角形の斜辺です。 ピタゴラスの定理から、32 + 42 = 25なので、斜辺の長さはこの値の平方根、つまり5になります。 変位ベクトルは、初期位置から最終位置を指します。
- 人は家から公園まで100メートル北に歩いて帰宅し、南に20メートル進んで郵便物をチェックします。 FitBitまたはGPSウォッチは、合計歩行距離が100 m + 100 m + 20 m = 220mであることを示します。 ただし、開始点が原点（座標平面上の点0、0）にある家であり、最終位置が （0、-20）にあるメールボックスでは、人は開始位置からわずか20メートル離れてしまい、総変位は-20になります。 m。
公園をx軸の正の方向に配置するために参照フレームが選択されたため、負の符号は重要です。 反対の方向に配置することもできます。その場合、人の変位は-20mではなく+ 20mになります。
- アスリートは朝食前に標準の400メートルのトラックを10km走ります（25周）。
は何ですか総距離彼らは旅をしました？ （10キロ）
は何ですか総変位？（0 m、レース後にランナーにこれを思い出させるのは賢明ではないかもしれませんが！）
位置、時間、その他の動きの変数
空間内のオブジェクトの位置を指定することは、無数の物理問題の出発点です。 ほとんどの場合、初級および中級の演習では、1次元（xのみ）または2次元（xおよびy）を使用します。 問題が過度に困難になるのを防ぐためのシステムですが、原理は次のように3次元空間に拡張されます。 上手。
2次元空間を移動する粒子には、その位置、位置の変化率（速度）のx座標とy座標を割り当てることができます。v）とその速度の変化率（加速度a). もちろん、時間にはラベルが付けられていますt.
ニュートンの運動の法則
古典物理学の多くは、偉大な科学者と数学者のアイザックニュートンによって導き出された運動を記述する方程式に依存しています。 ニュートンの運動の法則は、DNAが遺伝学にとって何であるかを物理学することです。それらは物語のほとんどを含み、それに不可欠です。
ニュートンの最初の法則外力が作用しない限り、すべての物体は静止したままであるか、直線で均一に動いていると述べています。ニュートンの第2法則簡単なフレーズに簡単に還元することはできないため、一般の人々にはおそらく3つの中で最も認識されていないものであり、代わりに次のように主張しています。ネット 力は質量と加速度の積に等しい:
F_ {net} = ma
第3法則は、自然界のすべての行動（つまり力）には等しく反対の反応があると述べています。
一定速度でのオブジェクトの位置は、線形関係で表されます。
x = x_0 + vt
ここでx0 は時間t = 0での変位です。
参照フレームの重要性
これは高度な物理学ではより重要になりますが、物理学者が何かが「 モーション」とは、座標系またはその他の参照フレームに関して、の変数に関して固定されていることを意味します。 問題。 たとえば、道路の制限速度が時速100 kmの場合、地球自体は絶対的には静止していませんが、状況に応じてそのように扱われることを意味します。
アルバート・アインシュタインは相対性理論で最もよく知られており、彼の特殊相対性理論は現代思想の歴史の中で最も画期的なものの1つでした。 アインシュタインは、参照フレームを作品に組み込むことなく、20世紀初頭のニュートンの方程式を適切に適合させることができなかったでしょう。相対論的非常に高速で低質量を処理する粒子。