Liikumine on meie maailma üks peamisi tunnuseid. Füüsikast on teada, et kõik kehad ja osakesed, millest nad koosnevad, liiguvad ruumis pidev alt ka absoluutse nulltemperatuuri juures. Selles artiklis käsitleme kiirenduse määratlust kui mehaanilise liikumise olulist kinemaatilise omadust füüsikas.
Mis suurusest me räägime?
Definitsiooni järgi on kiirendus suurus, mis võimaldab kvantitatiivselt kirjeldada kiiruse muutumise protsessi ajas. Matemaatiliselt arvutatakse kiirendus järgmiselt:
a¯=dv¯/dt.
See kiirenduse määramise valem kirjeldab nn hetkväärtust a¯. Keskmise kiirenduse arvutamiseks tuleks võtta kiiruste erinevuse suhe pikemasse perioodi.
Väärtus a¯ on vektor. Kui kiirus on suunatud mööda keha vaadeldava trajektoori puutujat, siis saab kiirendusesuunatud täiesti suvaliselt. Sellel pole midagi pistmist liikumise trajektoori ja vektoriga v. Sellegipoolest sõltuvad mõlemad nimetatud liikumise omadused kiirendusest. Seda seetõttu, et lõppkokkuvõttes määrab keha trajektoori ja kiiruse kiirendusvektor.
Et mõista, kuhu kiirendus a¯ on suunatud, tuleks üles kirjutada Newtoni teine seadus. Tuntud kujul näeb see välja järgmine:
F¯=ma¯.
Võrdsus ütleb, et kaks vektorit (F¯ ja a¯) on üksteisega seotud arvkonstandi (m) kaudu. Vektorite omaduste põhjal on teada, et positiivse arvuga korrutamine ei muuda vektori suunda. Teisisõnu, kiirendus on alati suunatud kogujõu F¯ mõjule kehale.
Vaatatavat kogust mõõdetakse meetrites ruutsekundi kohta. Näiteks Maa pinna lähedal mõjuv gravitatsioonijõud annab kehadele kiirenduse 9,81 m/s2, see tähendab, et vab alt langeva keha kiirus õhuvabas ruumis suureneb 9,81 võrra. m/s iga sekund.
Ühtlaselt kiirendatud liikumise kontseptsioon
Kiirenduse määramise valem üldjuhul kirjutati ülal. Praktikas on aga sageli vaja ülesandeid lahendada nn ühtlaselt kiirendatud liikumise jaoks. Selle all mõistetakse kehade liikumist, mille puhul nende kiirenduse tangentsiaalne komponent on konstantne väärtus. Rõhutame tangentsiaalse, mitte kiirenduse normaalse komponendi püsivuse tähtsust.
Keha kogukiirenduse kõverjoonelise liikumise protsessis võib esitada kahe komponendina. Tangentsiaalne komponent kirjeldab kiirusmooduli muutumist. Normaalkomponent on alati suunatud trajektooriga risti. See ei muuda kiiruse moodulit, kuid muudab selle vektorit.
Allpool käsitleme kiirenduskomponenti puudutavat küsimust üksikasjalikum alt.
Liikumine ühtlaselt kiirenenud sirgjoonel
Kuna keha sirgjoonel liikudes kiirusvektor ei muutu, on normaalne kiirendus null. See tähendab, et kogukiirenduse moodustab eranditult tangentsiaalne komponent. Kiirenduse määratlus ühtlaselt kiirendatud liikumisel toimub järgmiste valemite järgi:
a=(v - v0)/t;
a=2S/t2;
a=2(S-v0t)/t2.
Need kolm võrrandit on kinemaatika põhiavaldised. Siin v0 on kiirus, mis kehal oli enne kiirendust. Seda nimetatakse esialgseks. Väärtus S on tee, mille keha läbib sirgel trajektooril aja t jooksul.
Ükskõik, millise aja t väärtuse me ükskõik millisesse neist võrranditest asendame, saame alati sama kiirenduse a, kuna see ei muutu vaadeldava liikumise tüübi ajal.
Kiire keerutamine
Ringi kiirendusega liikumine on tehnikas üsna levinud liikumisviis. Selle mõistmiseks piisab, kui meenutada võllide pöörlemist,kettad, rattad, laagrid. Keha kiirenduse määramiseks ühtlaselt kiirendatud ringil liikumisel ei kasutata sageli mitte lineaarseid, vaid nurkseid suurusi. Nurkkiirendus on näiteks defineeritud järgmiselt:
α=dω/dt.
α väärtust väljendatakse radiaanides iga sekundi ruudu kohta. See kiirendus suuruse a tangentsiaalse komponendiga on seotud järgmiselt:
α=at/r.
Kuna α on ühtlaselt kiirendatud pöörlemise ajal konstantne, siis tangentsiaalne kiirendus at suureneb otseselt proportsionaalselt pöörderaadiuse r suurenemisega.
Kui α=0, siis on pöörlemisel ainult nullist erinev normaalkiirendus. Seda liikumist nimetatakse aga ühtlaselt muutuvaks või ühtlaseks pöörlemiseks, mitte ühtlaselt kiirendatuks.
