Скорость

Эта статья о скорости в физике. Чтобы узнать о других значениях, см. Скорость (значения) .

Скорость
Поскольку изменение направления происходит во время поворота гоночных автомобилей на изогнутой трассе, их скорость не является постоянной, даже если их скорость постоянна.
Общие символы	v , v , v → , v
Другие подразделения	миль в час , фут/с
В базовых единицах СИ	РС ​ ​
Измерение	Л Т −1

Скорость — это в сочетании с направлением движения объекта скорость . Скорость — фундаментальное понятие кинематики , раздела классической механики , описывающего движение тел.

Скорость — это физическая векторная величина : для ее определения необходимы как величина, так и направление. Скалярное и представляет собой последовательную производную единицу , абсолютное значение ( величина ) скорости называется скоростью величина которой измеряется в СИ ( метрической системе ) в метрах в секунду (м/с или м⋅с) . ⁻¹ ). Например, «5 метров в секунду» — это скаляр, тогда как «5 метров в секунду на восток» — это вектор. Если происходит изменение скорости, направления или того и другого, то говорят, что объект испытывает ускорение .

Определение

Средняя скорость

Средняя скорость объекта за период времени – это изменение его положения , $\Delta s$, разделенный на продолжительность периода, $\Delta t$, заданный математически как

$${\bar {v}}={\frac {\Delta s}{\Delta t}}.$$

Мгновенная скорость

Пример графика зависимости скорости от времени и взаимосвязи между скоростью v по оси y, ускорением a (три зеленые касательные линии обозначают значения ускорения в различных точках кривой) и смещением s (желтая область под изгиб.)

Мгновенная . скорость объекта — это предельная средняя скорость на промежутке времени, приближающемся к нулю В любой конкретный момент времени t его можно рассчитать как производную положения по времени:

$${\boldsymbol {v}}=\lim _{{\Delta t}\to 0}{\frac {\Delta {\boldsymbol {s}}}{\Delta t}}={\frac {d{\boldsymbol {s}}}{dt}}.$$

Из этого производного уравнения в одномерном случае видно, что площадь под зависимостью скорости от времени ( график v от t ) представляет собой смещение, s . В терминах исчисления интеграл функции скорости v ( t ) представляет собой функцию смещения s ( t ) . На рисунке это соответствует желтой области под кривой.

$${\boldsymbol {s}}=\int {\boldsymbol {v}}\ dt.$$

Хотя концепция мгновенной скорости может на первый взгляд показаться нелогичной, ее можно рассматривать как скорость, с которой объект продолжал бы двигаться, если бы в этот момент он прекратил ускоряться.

Разница между скоростью и скоростью

Основная статья: Скорость

Кинематические величины классической частицы: масса m , положение r , скорость v , ускорение a .

Хотя термины «скорость» и «скорость» в разговорной речи часто используются как синонимы, обозначая, насколько быстро движется объект, с научной точки зрения они разные. Скорость, скалярная величина вектора скорости, обозначает только то, насколько быстро движется объект, тогда как скорость указывает как скорость, так и направление объекта.

Чтобы иметь постоянную скорость , объект должен иметь постоянную скорость в постоянном направлении. Постоянное направление вынуждает объект двигаться по прямой траектории, поэтому постоянная скорость означает движение по прямой линии с постоянной скоростью.

Например, автомобиль, движущийся с постоянной скоростью 20 километров в час по круговой траектории, имеет постоянную скорость, но не имеет постоянной скорости, поскольку его направление меняется. Следовательно, считается, что автомобиль испытывает ускорение.

Единицы

Поскольку производная положения по времени дает изменение положения (в метрах ), деленное на изменение во времени (в секундах ), скорость измеряется в метрах в секунду (м/с).

Уравнение движения

Основная статья: Уравнение движения

Средняя скорость

Скорость определяется как скорость изменения положения во времени, которую также можно называть мгновенной скоростью, чтобы подчеркнуть отличие от средней скорости. В некоторых приложениях может потребоваться средняя скорость объекта, то есть постоянная скорость, которая обеспечит то же результирующее перемещение, что и переменная скорость, в том же интервале времени v ( t ) в течение некоторого периода времени Δ t . Среднюю скорость можно рассчитать как:

$$\mathbf {\bar {v}} ={\frac {\Delta \mathbf {x} }{\Delta t}}={\frac {\int _{t_{0}}^{t_{1}}\mathbf {v} (t)dt}{t_{1}-t_{0}}}.$$

Средняя скорость всегда меньше или равна средней скорости объекта. В этом можно убедиться, осознав, что хотя расстояние всегда строго увеличивается, смещение может увеличиваться или уменьшаться по величине, а также изменять направление.

На графике зависимости времени перемещения ( x от t ) мгновенную скорость (или просто скорость) можно рассматривать как наклон касательной к кривой в любой точке , а среднюю скорость — как наклон секущей , между двумя точками с координатами t равными границам периода времени для средней скорости.

Особые случаи

• Когда частица движется с разными равномерными скоростями v ₁ , v ₂ , v ₃ , ..., v _n в разные промежутки времени t ₁ , t ₂ , t ₃ , ..., t _n соответственно, то средняя скорость по всей сумме время в пути указано как
  $${\bar {v}}={v_{1}t_{1}+v_{2}t_{2}+v_{3}t_{3}+\dots +v_{n}t_{n} \over t_{1}+t_{2}+t_{3}+\dots +t_{n}}$$

Если t ₁ = t ₂ = t ₃ = ... = t , то средняя скорость определяется как среднее арифметическое скоростей

$${\bar {v}}={v_{1}+v_{2}+v_{3}+\dots +v_{n} \over n}={\frac {1}{n}}\sum _{i=1}^{n}{v_{i}}$$

• Когда частица перемещается на разные расстояния со _{скоростями} v 1 _, v 2 _, v 3 _{s 1 , s 2 , s 3 ,..., sn} , ... _, v n _{соответственно} , то _{средняя} скорость частицы _за всю расстояние дано как

$${\bar {v}}={s_{1}+s_{2}+s_{3}+\dots +s_{n} \over t_{1}+t_{2}+t_{3}+\dots +t_{n}}={{s_{1}+s_{2}+s_{3}+\dots +s_{n}} \over {{s_{1} \over v_{1}}+{s_{2} \over v_{2}}+{s_{3} \over v_{3}}+\dots +{s_{n} \over v_{n}}}}$$

Если s ₁ = s ₂ = s ₃ = ... = s , то средняя скорость определяется средним гармоническим значением скоростей.

$${\bar {v}}=n\left({1 \over v_{1}}+{1 \over v_{2}}+{1 \over v_{3}}+\dots +{1 \over v_{n}}\right)^{-1}=n\left(\sum _{i=1}^{n}{\frac {1}{v_{i}}}\right)^{-1}.$$

Связь с ускорением

объекта Хотя скорость определяется как скорость изменения положения, часто принято начинать с выражения для ускорения . Как видно по трем зеленым касательным линиям на рисунке, мгновенное ускорение объекта в определенный момент времени представляет собой наклон линии , касательной к кривой графика v ( t ) в этой точке. Другими словами, мгновенное ускорение определяется как производная скорости по времени:

$${\boldsymbol {a}}={\frac {d{\boldsymbol {v}}}{dt}}.$$

Отсюда мы можем получить выражение для скорости как площадь под графиком зависимости ускорения a ( t ) от времени. Как и выше, это делается с помощью понятия интеграла:

$${\boldsymbol {v}}=\int {\boldsymbol {a}}\ dt.$$

Постоянное ускорение

В частном случае постоянного ускорения скорость можно изучить с помощью уравнений Сувата . Рассматривая a как равное некоторому произвольному постоянному вектору, легко показать, что

$${\boldsymbol {v}}={\boldsymbol {u}}+{\boldsymbol {a}}t$$

где v — скорость в момент времени t , а u — скорость в момент времени t = 0 . Объединив это уравнение с уравнением Сувата x = u t + a t ² /2 можно связать перемещение и среднюю скорость соотношением

$${\boldsymbol {x}}={\frac {({\boldsymbol {u}}+{\boldsymbol {v}})}{2}}t={\boldsymbol {\bar {v}}}t.$$

Также возможно вывести выражение для скорости, не зависящее от времени, известное как уравнение Торричелли , следующим образом:

$$v^{2}={\boldsymbol {v}}\cdot {\boldsymbol {v}}=({\boldsymbol {u}}+{\boldsymbol {a}}t)\cdot ({\boldsymbol {u}}+{\boldsymbol {a}}t)=u^{2}+2t({\boldsymbol {a}}\cdot {\boldsymbol {u}})+a^{2}t^{2}$$

$$(2{\boldsymbol {a}})\cdot {\boldsymbol {x}}=(2{\boldsymbol {a}})\cdot ({\boldsymbol {u}}t+{\tfrac {1}{2}}{\boldsymbol {a}}t^{2})=2t({\boldsymbol {a}}\cdot {\boldsymbol {u}})+a^{2}t^{2}=v^{2}-u^{2}$$

$$\therefore v^{2}=u^{2}+2({\boldsymbol {a}}\cdot {\boldsymbol {x}})$$

где v = | в | и т. д.

Приведенные выше уравнения справедливы как для механики Ньютона , так и для специальной теории относительности . Механика Ньютона и специальная теория относительности различаются тем, как разные наблюдатели описывают одну и ту же ситуацию. В частности, в механике Ньютона все наблюдатели соглашаются со значением t, а правила преобразования положения создают ситуацию, в которой все неускоряющиеся наблюдатели описывали бы ускорение объекта с одинаковыми значениями. Ни то, ни другое не верно для специальной теории относительности. Другими словами, можно рассчитать только относительную скорость.

Величины, зависящие от скорости

Импульс

В классической механике второй закон Ньютона определяет импульс p как вектор, который является произведением массы и скорости объекта, математически определяемого как

$${\boldsymbol {p}}=m{\boldsymbol {v}}$$

где m — масса объекта.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия движущегося объекта зависит от его скорости и определяется уравнением

$$E_{\text{k}}={\tfrac {1}{2}}mv^{2}$$

где E _k – кинетическая энергия. Кинетическая энергия является скалярной величиной, так как зависит от квадрата скорости.

Перетаскивание (сопротивление жидкости)

В гидродинамике — это сила , сопротивление действующая противоположно относительному движению любого объекта, движущегося относительно окружающей жидкости. Сила сопротивления, $F_{D}$, зависит от квадрата скорости и определяется как

$$F_{D}\,=\,{\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}\,C_{D}\,A$$

где

• $\rho$ - плотность жидкости,
• $v$ - скорость объекта относительно жидкости,
• $A$ - площадь поперечного сечения , а
• $C_{D}$ – коэффициент аэродинамического сопротивления – безразмерное число .

Скорость убегания

Скорость убегания — это минимальная скорость, необходимая баллистическому объекту для отрыва от массивного тела, такого как Земля. объекта Она представляет собой кинетическую энергию, которая при добавлении к гравитационной потенциальной энергии (которая всегда отрицательна) равна нулю. Общая формула скорости убегания объекта на расстоянии r от центра планеты с массой M :

$$v_{\text{e}}={\sqrt {\frac {2GM}{r}}}={\sqrt {2gr}},$$

где G — гравитационная постоянная , а g — гравитационное ускорение . Скорость отрыва от поверхности Земли составляет около 11 200 м/с и не зависит от направления объекта. Это делает термин «скорость убегания» несколько неправильным, поскольку более правильным термином было бы «скорость убегания»: любой объект, достигающий скорости этой величины, независимо от атмосферы, покинет окрестности основного тела до тех пор, пока он не пересекаться с чем-либо на своем пути.

Фактор Лоренца специальной теории относительности

В специальной теории относительности часто появляется безразмерный фактор Лоренца и определяется выражением

$$\gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}$$

где γ — фактор Лоренца, а c — скорость света.

Относительная скорость

Основная статья: Относительная скорость

Относительная скорость — это измерение скорости между двумя объектами, определенной в одной системе координат. Относительная скорость имеет фундаментальное значение как в классической, так и в современной физике, поскольку многие физические системы имеют дело с относительным движением двух или более частиц.

Рассмотрим объект A, движущийся с вектором скорости v , и объект B с вектором скорости w ; эти абсолютные скорости обычно выражаются в одной и той же инерциальной системе отсчета . Тогда скорость объекта A относительно объекта B определяется как разность двух векторов скорости:

$${\boldsymbol {v}}_{A{\text{ relative to }}B}={\boldsymbol {v}}-{\boldsymbol {w}}$$

Аналогично, относительная скорость объекта B, движущегося со скоростью w , относительно объекта A, движущегося со скоростью v, равна:

$${\boldsymbol {v}}_{B{\text{ relative to }}A}={\boldsymbol {w}}-{\boldsymbol {v}}$$

Обычно в качестве инерциальной системы отсчета выбирают ту, в которой покоится последний из двух упомянутых объектов.

В механике Ньютона относительная скорость не зависит от выбранной инерциальной системы отсчета. Это уже не относится к специальной теории относительности , в которой скорости зависят от выбора системы отсчета.

Скалярные скорости

В одномерном случае скорости являются скалярами, и уравнение имеет вид:

$$v_{\text{rel}}=v-(-w),$$

если два объекта движутся в противоположных направлениях, или:

$$v_{\text{rel}}=v-(+w),$$

если два объекта движутся в одном направлении.

Системы координат

Декартовы координаты

В многомерных декартовых системах координат скорость разбивается на компоненты, соответствующие каждой размерной оси системы координат. В двумерной системе, где есть оси x и y, соответствующие компоненты скорости определяются как

$$v_{x}=dx/dt,$$

$$v_{y}=dy/dt.$$

Тогда двумерный вектор скорости определяется как ${\textbf {v}}=<v_{x},v_{y}>$. Величина этого вектора представляет скорость и находится по формуле расстояния как

$$|v|={\sqrt {v_{x}^{2}+v_{y}^{2}}}.$$

В трехмерных системах, где имеется дополнительная ось z, соответствующая компонента скорости определяется как

$$v_{z}=dz/dt.$$

Трехмерный вектор скорости определяется как ${\textbf {v}}=<v_{x},v_{y},v_{z}>$ причем его величина также представляет скорость и определяется

$$|v|={\sqrt {v_{x}^{2}+v_{y}^{2}+v_{z}^{2}}}.$$

В то время как в некоторых учебниках для определения декартовых компонентов скорости используется индексная запись, в других используются $u$, $v$, и $w$ для $x$-, $y$-, и $z$-оси соответственно.

Полярные координаты

См. также: Circular_motion § In_polar_coordinates ; и Радиальный, поперечный, нормальный

Представление радиальной и тангенциальной составляющих скорости в разные моменты линейного движения с постоянной скоростью объекта вокруг наблюдателя О (это соответствует, например, проезду автомобиля по прямой улице вокруг пешехода, стоящего на тротуаре). Радиальную составляющую можно наблюдать благодаря эффекту Доплера , тангенциальную составляющую вызывает видимые изменения положения объекта.

В полярных координатах двумерная скорость описывается радиальной скоростью , определяемой как составляющая скорости от начала координат или к началу координат, и поперечной скоростью , перпендикулярной радиальной. Оба возникают из-за угловой скорости , которая представляет собой скорость вращения вокруг начала координат (положительные величины представляют вращение против часовой стрелки, а отрицательные величины представляют вращение по часовой стрелке в правосторонней системе координат).

Радиальная и поперечная скорости могут быть получены из декартовых векторов скорости и смещения путем разложения вектора скорости на радиальную и поперечную составляющие. Поперечная . скорость — это составляющая скорости вдоль окружности с центром в начале координат

$${\boldsymbol {v}}={\boldsymbol {v}}_{T}+{\boldsymbol {v}}_{R}$$

где

• ${\boldsymbol {v}}_{T}$ поперечная скорость
• ${\boldsymbol {v}}_{R}$ — лучевая скорость.

Радиальная скорость (или величина радиальной скорости) представляет собой скалярное произведение вектора скорости и единичного вектора в радиальном направлении.

$$v_{R}={\frac {{\boldsymbol {v}}\cdot {\boldsymbol {r}}}{\left|{\boldsymbol {r}}\right|}}={\boldsymbol {v}}\cdot {\hat {\boldsymbol {r}}}$$

где ${\boldsymbol {r}}$ это позиция и ${\hat {\boldsymbol {r}}}$ является радиальным направлением.

Поперечная скорость (или величина поперечной скорости) представляет собой величину векторного произведения единичного вектора в радиальном направлении и вектора скорости. Это также скалярное произведение скорости и поперечного направления или произведение угловой скорости. $\omega$ и радиус (величина положения).

$$v_{T}={\frac {|{\boldsymbol {r}}\times {\boldsymbol {v}}|}{|{\boldsymbol {r}}|}}={\boldsymbol {v}}\cdot {\hat {\boldsymbol {t}}}=\omega |{\boldsymbol {r}}|$$

такой, что

$$\omega ={\frac {|{\boldsymbol {r}}\times {\boldsymbol {v}}|}{|{\boldsymbol {r}}|^{2}}}.$$

Угловой момент в скалярной форме равен массе, умноженной на расстояние до начала координат, умноженной на поперечную скорость, или, что эквивалентно, массе, умноженной на квадрат расстояния, умноженной на угловую скорость. Соглашение о знаках углового момента такое же, как и для угловой скорости.

$$L=mrv_{T}=mr^{2}\omega$$

где

• $m$ масса
• $r=|{\boldsymbol {r}}|.$

Выражение $mr^{2}$ известен как момент инерции .Если силы действуют в радиальном направлении только с обратной квадратичной зависимостью, как в случае гравитационной орбиты , угловой момент постоянен, а поперечная скорость обратно пропорциональна расстоянию, угловая скорость обратно пропорциональна квадрату расстояния, а Скорость выметания территории постоянна. Эти соотношения известны как законы движения планет Кеплера .

См. также

• Четырехскоростная (релятивистская версия скорости для пространства-времени Минковского )
• Групповая скорость
• Гиперскорость
• Фазовая скорость
• Правильная скорость (в теории относительности используется время путешественника вместо времени наблюдателя)
• Быстрота (вариант добавки скорости на релятивистских скоростях)
• Конечная скорость
• Поле скорости
• График зависимости скорости от времени

Примечания

• Роберт Резник и Джерл Уокер, «Основы физики» , Wiley; 7 Подвыпуск (16 июня 2004 г.). ISBN   0-471-23231-9 .

Внешние ссылки

• Скорость и ускорение
• Введение в механизмы ( Университет Карнеги-Меллон )