Уравнение равноускоренного прямолинейного движения их графики

Равноускоренное движение: формулы, примеры

Равноускоренное движение

Равноускоренное движение — это движение, при котором вектор ускорения не меняется по модулю и направлению. Примеры такого движения: велосипед, который катится с горки; камень брошенный под углом к горизонту. Равномерное движение — частный случай равноускоренного движения с ускорением, равным нулю.

Рассмотрим случай свободного падения (тело брошено под уголом к горизонту) более подробно. Такое движение можно представить в виде суммы движений относительно вертикальной и горизонтальной осей.

В любой точке траектории на тело действует ускорение свободного падения g → , которое не меняется по величине и всегда направлено в одну сторону.

Вдоль оси X движение равномерное и прямолинейное, а вдоль оси Y — равноускоренное и прямолинейное. Будем рассматривать проекции векторов скорости и ускорения на оси.

Формулы для равноускоренного движения

Формула для скорости при равноускоренном движении:

Здесь v 0 — начальная скорость тела, a = c o n s t — ускорение.

Покажем на графике, что при равноускоренном движении зависимость v ( t ) имеет вид прямой линии.

​​​​​​​

Ускорение можно определить по углу наклона графика скорости. На рисунке выше модуль ускорения равен отношению сторон треугольника ABC.

a = v — v 0 t = B C A C

Чем больше угол β , тем больше наклон (крутизна) графика по отношению к оси времени. Соответственно, тем больше ускорение тела.

Для первого графика: v 0 = — 2 м с ; a = 0 , 5 м с 2 .

Для второго графика: v 0 = 3 м с ; a = — 1 3 м с 2 .

По данному графику можно также вычислить перемещение тела за время t . Как это сделать?

Выделим на графике малый отрезок времени ∆ t . Будем считать, что он настолько мал, что движение за время ∆ t можно считать равномерным движением со скоростью, равной скорости тела в середине промежутка ∆ t . Тогда, перемещение ∆ s за время ∆ t будет равно ∆ s = v ∆ t .

Разобьем все время t на бесконечно малые промежутки ∆ t . Перемещение s за время t равно площади трапеции O D E F .

s = O D + E F 2 O F = v 0 + v 2 t = 2 v 0 + ( v — v 0 ) 2 t .

Мы знаем, что v — v 0 = a t , поэтому окончательная формула для перемещения тела примет вид:

s = v 0 t + a t 2 2

Для того, чтобы найти координату тела в данный момент времени, нужно к начальной координате тела добавить перемещение. Изменение координаты в зависимости от времени выражает закон равноускоренного движения.

Закон равноускоренного движения

y = y 0 + v 0 t + a t 2 2 .

Еще одна распространенная задача кинематики, которая возникает при анализе равноускоренного движения — нахождение координаты при заданных значениях начальной и конечной скоростей и ускорения.

Исключая из записанных выше уравнений t и решая их, получаем:

s = v 2 — v 0 2 2 a .

По известным начальной скорости, ускорению и перемещению можно найти конечную скорость тела:

v = v 0 2 + 2 a s .

При v 0 = 0 s = v 2 2 a и v = 2 a s

Величины v , v 0 , a , y 0 , s , входящие в выражения, являются алгебраическими величинами. В зависимости от характера движения и направления координатных осей в условиях конкретной задачи они могут принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Равноускоренное прямолинейное движение. Ускорение

п.1. Равноускоренное движение

Если тело начинает двигаться из состояния покоя, оно набирает скорость не мгновенно, а в течение некоторого времени. Аналогично происходит при торможении: тело останавливается не сразу, а теряя скорость постепенно.

Примеры равноускоренного движения:

• скатывание велосипеда с горки, скатывание санок с горки;
• старт и торможение автомобиля, автобуса, трамвая, поезда;
• падение на землю камня, ракеты, метеорита.

Это интересно
Время разгона от 0 до 100 км/ч – одна из основных характеристик современных автомобилей.

Марка автомобиля		Время разгона, с
Nissan GTR Nismo		2,9
BMW M5 F90		2,8
Porsche 918 Spyder		2,6

п.2. Ускорение

В системе СИ (см. §2 данного справочника) скорость измеряется в метрах в секунду, а время – в секундах. Поэтому:

При описании прямолинейного движения мы переходим от векторов к проекциям на ось ОХ (см. §8 данного справочника).

п.3. Уравнение скорости и график скорости при равноускоренном прямолинейном движении

Для проекции скорости на ось ОХ в произвольный момент времени можем записать: $$ v_x(t)=v_<0x>+a_x t $$ Сравним полученное уравнение с уравнением прямой \(y(x)=kx+b \) (см. §38 справочника по алгебре для 7 класса).
В уравнении скорости роль углового коэффициента \(k\) играет проекция ускорения \(a_x\), а роль свободного члена \(b\) – начальная скорость \(v_<0x>\).

Пример построения графика скорости
1-й участок пути. Пусть автомобиль начал движение из состояния покоя с ускорением 4 м/с 2 . Направим ось ОХ в направлении ускорения и получим уравнение скорости: $$ v_<0x>=0,\ \ a_x=4\frac<\text<м>>,\ \ v_x(t)=0+4t=4t $$ Через 5 с скорость автомобиля станет равной \(v_x(5)=4\cdot 5=20\) м/с.
2-й участок пути. Пусть автомобиль, набрав эту скорость, проехал с ней без ускорения в течение 10 с. На этом участке уравнение скорости: $$ a_=0,\ \ v_x(t)=20\frac<\text<м>>,\ \ 5\ c\leq t\lt 15\ c $$ Скорость не меняется, автомобиль движется прямолинейно равномерно.
3-й участок пути. Наконец, на последнем участке пути, автомобиль тормозил с ускорением 5 м/с 2 до полной остановки. Тогда уравнение скорости на этом участке: $$ v_<0x>=20\frac<\text<м>>,\ \ a_x=5\frac<\text<м>>,\ \ v_x(t)=20-5t $$ Проекция ускорения при торможении отрицательна. Скорость станет равна 0 через 4 с после начала торможения, автомобиль остановится.

Опишем полностью движение на всех участках: $$ v_x(t)= \begin 4t,\ \ 0\leq t\lt 5\\ 20,\ \ 5\leq t\lt 15\\ 20-5t,\ \ 15\leq t\leq 19 \end $$ И построим график:

Участок AB соответствует разгону автомобиля от 0 до 20 м/с, участок BC — равномерному движению со скоростью 20 м/с, участок CD — торможению от 20 м/с до 0.

п.4. Определение пути и перемещения по графику скорости

В §10 данного справочника мы рассматривали неравномерное прямолинейное движение, которое можно разбить на отдельные равномерные участки. Для такого движения путь равен сумме модулей площадей участков, определенных по графику скорости. А перемещение также равно сумме площадей, но уже с учетом знака.
Этот подход можно расширить на любое прямолинейное движение.

Пример определения пути и перемещения по графику скорости
Для построенного выше графика скорости автомобиля получаем следующие участки:
1) ΔABE, его площадь равна $$ s_1=\frac12 AE\cdot BE=\frac12\cdot 5\cdot 20=50\ (м) $$ 2) прямоугольник EBCF, его площадь равна $$ s_2=EF\cdot BE=10\ cdot 20=200\ (м) $$ 3) ΔCFD, его площадь равна $$ s_2=\frac12 FD\cdot GF=\frac12\cdot 4\cdot20=40\ (м) $$ Весь пройденный путь: $$ s=s_1+s_2+s_3=50+200+40=290\ (м) $$ Скорость автомобиля все время оставалась положительной (направление движения не менялось), поэтому величина перемещения равна пройденному пути: $$ \triangle x=s=290\ (м) $$

п.5. Задачи

Задача 1. За 1 мин автобус увеличил скорость с 28,8 км/ч до 72 км/ч. Найдите его ускорение, постройте график зависимости скорости от времени.

Направим ось ОХ по направлению движения автобуса. Автобус направления движения не меняет, и проекции ускорения и скорости все время положительны и по величине равны значениям величин: $$ a_x=a,\ \ v_x=v $$ Поэтому ускорение равно: $$ a=\frac$$ Получаем: $$ a=\frac<20-8><60>=0,2\ \left(\frac<м>\right) $$ Уравнение зависимости скорости от времени: \begin v(t)=v_0+at\\ v(t)=8+0,2t \end График:

Ответ: 0,2 м/с 2

Задача 2. Поезд двигался прямолинейно равномерно со скоростью 18 км/ч, а в процессе торможения – равноускоренно и остановился через 10 с. Найдите модуль ускорения. Постройте график зависимости скорости от ускорения, найдите пройденный поездом путь за все время торможения.

Дано:
\(v_0=18\ км/ч=5\ м/с\)
\(v=0\)
\(t=10\ с\)
__________________
\(a,\ s-?\)
Направим ось ОХ по направлению скорости \(v_0\). Тогда проекция ускорения: $$ a_x=\frac,\ \ a_x=\frac<0-5><10>=-0,5\ (м/с^2) $$ Проекция при торможении отрицательна.
Величина (модуль) ускорения: $$ a=|a_x|=0,5\ м/c^2 $$ Зависимость скорости от времени: \begin v(t)=v_0+a_x t\\ v(t)=5-0,5t \end График:

Пройденный путь равен площади треугольника ΔABC: $$ s=\frac12 AC\cdot BC=\frac12\cdot 5\cdot 10=25\ (м) $$ Ответ: 0,5 м/с 2 ; 25 м

Задача 3*. С каким ускорением двигался автомобиль, если его скорость выросла с 36 км/ч до 72 км/ч на пути длиной 600 м? Постройте график зависимости скорости от времени, найдите время движения и путь с помощью графика, проверьте полученное значение пути.

Дано:
\(v_0=36\ км/ч=10\ м/с\)
\(v=72\ км/ч=20\ м/с\)
\(s=600\ м\)
__________________
\(a-?,\ t-?\)
Ускорение равно: \(a=\frac\). Откуда время равно: \(t=\frac\)
Средняя скорость на всем пути: \(v_=\frac<2>\)
Весь путь: $$ s=v_t=\frac<2>\cdot\frac=\frac <2a>$$ Значит, ускорение равно: $$ a=\frac <2s>$$ Подставляем: $$ a=\frac<20^2-10^2><2\cdot 600>=0,25\ \left(\frac<м>\right) $$ Уравнение зависимости скорости от времени: \begin v(t)=v_0+at\\ v(t)=10+0,25t \end График:

Скорость достигает значения \(v=20\ м/с\) в момент времени \(t=40\ с\).
Значит, время движения 40 с.

Путь по графику скорости равен площади четырехугольника ABCD. \begin S_=S_+S_=\frac12 AE\cdot EB+AE\cdot AD=\frac12\cdot 40\cdot 10+40\cdot 10=200+400=600\ (м)\\ s=600\ м \end Найденное значение пути совпадает с условием задачи. Все параметры движения найдены верно.
Ответ: 0,25 м/с 2 ; 40 c

Скорость прямолинейного равноускоренного движения. График скорости

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Этот видеоурок посвящен теме «Скорость прямолинейного равноускоренного движения. График скорости». В ходе занятия учащиеся должны будут вспомнить такую физическую величину, как ускорение. Затем они узнают, как определить скорости прямолинейного равноускоренного движения. После учитель расскажет, как правильно строить график скорости.