Atstumas ir poslinkis: koks skirtumas ir kodėl tai svarbu (su diagrama)

Fizika savo esme yra objektų judėjimo per erdvę apibūdinimas pagal jų padėtį, greitį ir pagreitį kaip laiko funkciją.

Šimtmečiams įsibėgėjus ir žmonėms plečiant turimų stebėjimo įrankių galią, šis siekis tiksliai išmoktikądaiktai daro fizinėje erdvėje irkadaišaugo ir įtraukė itin mažus objektus, tokius kaip atomai ir net jų komponentai, dėl kurių atsirado visa kvantinės fizikos ar kvantinės mechanikos sritis.

Vis dėlto pirmi dalykai, kuriuos išmoksta fizikos studentai, yra pagrindiniai Niutono mechanikos dėsniai ir lygtys. Taigi paprastai prasideda vienos dimensijos judesiu ir juda dviem dimensijomis (aukštyn žemyn ir šonu į šoną) pavyzdžiui, sviedinio judėjimas, įvedantis unikalų Žemės gravitacinį pagreitį 9,8 metrai per sekundę per sekundę (m / s²).

Kai įgisite įgūdžių naudoti juos kartu, tyrinėdami judesį ir klasikinės mechanikos pobūdį, būsite išvystyti geriau įvertinti skirtumus, kurie iš pirmo žvilgsnio atrodo nereikšmingi, bet iš tikrųjų yra ne ką mažiau svarbūs, pavyzdžiui, skirtumaiatstumasirposlinkis​.

Atstumas ir poslinkis yra dažnai painiojami fizikos terminai, kurie yra svarbūs norint gauti teisingumą. Atstumas yra askaliarinis dydis, bendras objekto nuvažiuotas atstumas; poslinkis yra avektorinis kiekis, trumpiausias kelias tiesia linija tarp pradinės ir galutinės padėties.

Vektoriaus dydžio ir skaliarinio dydžio skirtumas yra tas, kad vektoriniai dydžiai apima informaciją apie kryptį; skaliariniai dydžiai yra tiesiog skaičiai. Virš kintamojo esančios „pusės rodyklės“ rodo, kad tai vektorinis dydis. Viso poslinkio išraiškardalelės x, y koordinatės plokštumoje vektoriaus žymėjime yra:

Čiaiirjyra atitinkamai „vieneto vektoriai“ x ir y kryptimis; jie naudojami nubrėžti tam tikro vektoriaus kiekio komponentus, kurie nukreipti kita kryptimi nei ašis, o jų pačių dydis pagal susitarimą yra 1.

Viskas, kas juda fiksuoto atskaitos rėmo atžvilgiu, apima atstumą. Asmens, žingsniuojančio pirmyn ir atgal greičiu 2 m / s, laukiančio atvažiuojančio autobuso ir nuolat grįžtančio į tą pačią vietą, greitis yra 2 m / s, bet greitis 0. Kaip tai įmanoma?

Fizikai naudoja pradinę ir galutinę padėtį, kad apskaičiuotų objekto poslinkį, kuris yra tik trumpiausias kelias nuo jo pradinės padėtiesaį savo galutinę pozicijąb​ ​net jei objektas nėjo šiuo tiesioginiu tiesios kelio keliu. Poslinkis matematiškai įgauna formą d = x_f - x_iarba horizontalus poslinkis yra lygus galutinei padėčiai atėmus pradinę padėtį).

Norint apskaičiuoti, reikia nuvažiuoto atstumoVidutinis greitis(t. y. bendras atstumas per tam tikrą laikotarpį). Tiek atstumas, tiek greitis yra skaliariniai dydžiai, todėl jie natūraliai randami kartu. Norint rasti, reikalingas poslinkisgalutinė pozicijaobjekto; jis nurodo ne tik atstumą nuo pradinės padėties, bet ir grynąją važiavimo kryptį.

Kadangi poslinkis yra vektorinis dydis, jo, o ne atstumo, reikia naudoti norint rasti vidutinį greitį, kitą vektorinį dydį.Vidutinis greitis yra bendras objekto poslinkis per tam tikrą laikotarpį.Jei valandą važiuojate aplink ovalą ir įveikiate 20 mylių, jūsų vidutinis greitis yra 20 mi / hr, bet jūsų vidutinis greitis yra lygus nuliui, nes trūksta poslinkio nuo jūsų pradžios poziciją.

Panašiai pažymėtina, kad jei kelio ženkluose vietoj „SPEED LIMIT“ veislių būtų įrašyta „VELOCITY LIMIT“, būtų daug lengviau išlipti iš greičio viršijančio bilieto. Viskas, ką jums reikia padaryti, yra įsitikinti, kad persikėlėte į tą pačią vietą, kurią pareigūnas pirmiausia pastebėjo, ir jūs galėjote įrodinėkite, kad, atmetus kelionės atstumą, jūsų poslinkis yra aiškiai nulis, todėl jūsų greitis yra lygus nuliui apibrėžimas. (Gerai, galbūt ne tokia gera idėja dėl įvairių priežasčių!)

Apsvarstykite šiuos scenarijus:

• Automobilis važiuoja trimis kvartalais į šiaurę ir keturis kvartalus į rytus. Iš visoatstumasobjekto kelionė yra 4 + 3 = 7 blokai. Bet iš visoposlinkisyra trumpiausias atstumas nuo vietos, kur automobilis prasideda ir baigia savo kelionę, tai yra įstriža linija, stačiojo trikampio su 3 ir 4 kojomis hipotenuzė. Iš Pitagoro teoremos 3² + 4² = 25, taigi hipotenuzės ilgis yra šios vertės kvadratinė šaknis, kuri yra 5. Poslinkio vektorius rodo nuo pradinės padėties iki galutinės padėties.

• Asmuo eina į šiaurę nuo savo namo 100 metrų iki parko, o tada grįžta namo prieš tęsdamas 20 metrų į pietus patikrinti pašto. „FitBit“ arba GPS laikrodis rodytų, kad bendras nueitas atstumas yra 100 m + 100 m + 20 m = 220 m. Bet jei pradinis taškas yra namas, esantis pradžioje (taškas 0, 0 koordinačių plokštumoje) ir galutinė padėtis yra pašto dėžutės, esančios (0, −20), asmuo atsiduria tik 20 metrų atstumu nuo tos vietos, kur jis pradėjo, o bendras atstumas yra −20 m.

Neigiamas ženklas yra svarbus, nes norint pasirinkti parką teigiama kryptimi x ašyje, buvo pasirinktas atskaitos sistema. Tai galėjo būti išdėstyta priešingai, tokiu atveju asmens poslinkis būtų + 20 m, o ne −20 m.

• Sportininkas prieš pusryčius (25 ratus) standartine 400 metrų trasa nubėga 10 km.

Kas yraviso atstumojie keliavo? (10 kilometrų.)

Kas yraviso poslinkio?(0 m, nors tai priminti bėgikui po varžybų gali būti neprotinga!) 

Objekto padėties erdvėje nurodymas yra atspirties taškas nesuskaičiuojamai daugybei fizikos problemų. Daugiausia pradedant ir atliekant pratimus naudojami vienmatiai (tik x) arba dvimatiai (x ir y) sistemos, kad problemos nebūtų pernelyg sunkios, tačiau principai apima ir trimatę erdvę gerai.

Daliai, judančiai dvimatėje erdvėje, gali būti priskirtos x ir y koordinatės savo padėčiai, padėties pokyčio greičiui (greičiuiv) ir jo greičio kitimo greitį (pagreitisa). Laikas, žinoma, pažymėtas etiketet​.

Didžioji klasikinės fizikos dalis remiasi didžio mokslininko ir matematiko Isaaco Newtono gautomis lygtis, apibūdinančiomis judėjimą. Niutono judesio dėsniai fizikai yra tai, kas DNR yra genetikai: juose yra didžioji istorijos dalis ir jie jai yra būtini.

​Pirmasis Niutono dėsnisteigiama, kad kiekvienas objektas liks ramybėje arba tolygiai judės tiesia linija, nebent veiks išorinė jėga.Antrasis Niutono dėsnisyra bene mažiausiai iš trijų plačiosios visuomenės atpažįstamas, nes jo negalima lengvai susiaurinti iki paprastos frazės, o jis tvirtina, kadneto​ ​jėga lygi masės ir pagreičio sandaugai​:

Trečiasis dėsnis teigia, kad kiekvienas veiksmas (t. Y. Jėga) gamtoje turi vienodą ir priešingą reakciją.

Objekto padėtį pastoviu greičiu vaizduoja tiesinis ryšys:

kur x₀ yra poslinkis laike t = 0.

Tai įgauna didesnę svarbą pažangioje fizikoje, tačiau svarbu pabrėžti tai, kai fizikai pareiškia, kad kažkas yra „ judėjimas ", tai reiškia koordinačių sistemą ar kitą atskaitos rėmą, kuris yra fiksuotas atsižvelgiant į kintamuosius problema. Pavyzdžiui, teisinga sakyti, kad jei kelio greitis yra 100 km / h, tai reiškia, kad pati Žemė, nors ir neabejotinai nėra stovi absoliučia prasme, traktuojama kaip tokia kontekste.

Albertas Einšteinas yra geriausiai žinomas dėl savo reliatyvumo teorijos, o jo specialioji reliatyvumo idėja buvo viena novatoriškiausių šiuolaikinės minties istorijoje. Neįtraukdamas atskaitos rėmų į savo kūrybą, Einšteinas nebūtų sugebėjęs pritaikyti Niutono lygčių 20 amžiaus pradžioje, kad tiktųreliatyvistinisdalelės, kurios susiduria su labai dideliu greičiu ir mažomis masėmis.