Швидкість

Шви́дкість, або погі́н, ско́рість, ху́ткість, пру́дкість, бистрота́ — фізична величина, що відповідає відношенню переміщення тіла до проміжку часу, за який відбувалося переміщення.

Швидкість — величина векторна, тобто вона має значення (модуль) і напрямок.

Швидкість
Швидкість
Оскільки відбувається неперервна зміна напрямку руху, коли гоночні машини рухаються по криволінійній доріжці, їхня швидкість не є сталою
Символи:
Одиниці вимірювання
Розмірність: L T−1
Одиниці вимірювання: м/с; m/s

CMNS: Швидкість у Вікісховищі
Швидкість
Змагання на швидкість двох футболістів

Швидкість, як векторна величина здебільшого позначається літерою або , а коли йде мова тільки про кількісне значення швидкості — (від лат. Velocitas — швидкість).

У системі SI швидкість (точніше її абсолютна величина) вимірюється в метрах за секунду — м/с. У системі СГС одиницею вимірювання швидкості є сантиметр за секунду — см/с. У повсякденному житті найпрактичнішою одиницею вимірювання швидкості є кілометр на годину — км/год. У певних галузях людської діяльності чи країнах використовуються специфічні одиниці швидкості, як-от вузол чи фут за секунду.

У науці використовується також швидкість у широкому значенні, як швидкість зміни будь-якої величини (не обов'язково радіус-вектора) залежно від іншої (частіше зміни в часі, але також у просторі або будь-якої іншої). Так, наприклад, говорять про кутову швидкість, швидкість зміни температури, швидкість хімічної реакції, групову швидкість, швидкості зʼєднання тощо. Математично швидкість характеризується похідною функції.

Способи опису швидкості

Траєкторний опис

Нехай тіло, що можна вважати за матеріальну точку, рухається по довільній траєкторії. Шлях, який пройшло тіло за проміжок часу Швидкість :

    Швидкість .

За означенням:

    Швидкість  (1), де Швидкість  — середня шляхова швидкість або середнє значення абсолютної величини швидкості за час Швидкість  . Швидкість тіла найлегше визначити тоді, коли воно здійснює рівномірний прямолінійний рух, тобто долає однакові відстані за однакові проміжки часу. У такому разі швидкість визначається як відношення відстані до часу:
    Швидкість 

де Швидкість  — шлях, пройдений тілом за час Швидкість .

Визначене таким способом середнє значення абсолютної величини швидкості — скалярна величина і не повʼязана з переміщенням тіла. Наприклад, дівчина, яка пробігла од Полтави до Хорола, а потім повернулася назад, здійснила нульове переміщення, однак вона рухалася з певною середньою швидкістю, скажімо 10 км/год.

Механіка узагальнює поняття «швидкість» для довільного руху, використовуючи математичний апарат аналізу. Загалом тіла рухаються нерівномірно й можуть змінювати напрямок руху. Для опису такого руху вводиться поняття миттєвої швидкості, яку механіка надалі і називає просто швидкістю. Траєкторія руху тіла розбивається на маленькі ділянки, на яких рух можна вважати рівномірним і прямолінійним, і визначається швидкість на цих ділянках. Швидкість тіла в даній точці траєкторії (у певний момент часу) — миттєва швидкість, — буде тим точніше означена відношенням (1), чим менші значення Швидкість  і Швидкість . У границі, коли Швидкість  прямує до нуля, отримується вираз для модуля миттєвої швидкості:

    Швидкість .

Отже, миттєву швидкість можна знайти за заданою залежністю Швидкість  через похідну по часу для будь-якого моменту часу. Швидкість — векторна величина. Отже, за означенням:

    Швидкість 

де Швидкість  — одиничний вектор уздовж дотичної до траєкторії, спрямований у напрямку руху в тій точці, у якій визначається швидкість.

Векторний опис

Швидкість 
Радіус-вектори (чорні стрілки). Вектори середньої і миттєвих швидкостей (зелені стрілки). Траєкторія (червона лінія)
Швидкість 
Вимірювання миттєвої швидкості автомобіля в км/год

Якщо положення матеріальної точки відносно початку відліку задається радіусом-вектором Швидкість , то для двох послідовних моментів часу Швидкість  і Швидкість  її переміщення характеризуватиметься вектором Швидкість .

За означенням, середня швидкість матеріальної точки або середня швидкість переміщення довільного руху за інтервал часу Швидкість  — це векторна величина:

    Швидкість ,

де Швидкість  — переміщення тіла за час Швидкість .

Після застосування граничного переходу вводиться означення миттєвої швидкості.

Миттєва швидкість нерівномірного руху — це вектор у точці, який є границею середніх швидкостей, коли інтервал часу прямує до нуля. Розкриваючи означення, швидкість — це відношення переміщення матеріальної точки за інтервал часу, коли цей інтервал прямує до нуля, тобто похідна за часом від радіуса-вектора Швидкість  точки, що рухається:

    Швидкість .

Вектор швидкості спрямований у бік руху точки по дотичній до траєкторії її руху.

Так само, похідна від швидкості дає миттєве прискорення тіла в момент часу Швидкість :

    Швидкість 

Задання швидкості в різних системах координат

Проєкції швидкості на осі прямокутної декартової системи координат дорівнюють першим похідним за часом від відповідних координат точки, що рухається:

    Швидкість 

З цього:

    Швидкість  і, отже Швидкість .

У циліндричній системі координат

    Швидкість 

і у сферичній системі координат

    Швидкість 

Прямолінійний рівноприскорений рух

Кінцева швидкість Швидкість  обʼєкта з початковою швидкістю Швидкість  та постійним у часі прискоренням Швидкість  в період часу Швидкість  визначається як:

    Швидкість 

Середня швидкість обʼєкта з постійним прискоренням становить Швидкість . Тоді для обчислення відстані Швидкість  переміщення тіла за проміжок часу Швидкість  отримаємо формулу:

    Швидкість 

Якщо відома тільки початкова швидкість, можна застосовувати формулу:

    Швидкість 

З цих базових рівнянь виводиться формула, не залежна від параметру часу Швидкість :

    Швидкість 

Наведені рівняння справедливі як для класичної механіки, так і для спеціальної теорії відносності. Відмінність ситуації полягає, зокрема, у тому, що в класичній механіці для всіх спостерігачів в інерційних системах відліку прискорення тіла, що рухається, буде однаковим. Для спеціальної теорії відносності це не так.

Швидкість точки при обертанні по колу

Докладніше: Кутова швидкість

Рух матеріальної точки по колу можна охарактеризувати як лінійними кінематичними величинами на основі викладок, зроблених вище, так і кутовими кінематичними величинами — кутовою координатою Швидкість  і кутовою швидкістю Швидкість .

При обертанні матеріальної точки з кутовою швидкістю Швидкість  по колу радіусом R її миттєва швидкість визначається формулою

    Швидкість 

Швидкість точки при плоскому русі

Швидкість 
Рух точки в площині у полярній системі координат

Загалом, якщо розглядати рух матеріальної точки A в площині в полярній системі координат, то швидкість можна розкласти на дві взаємно перпендикулярні складові: радіальну (променеву) й тангенціальну (трансверсальну). Радіальна швидкість Швидкість  направлена вздовж радіус-вектора точки й характеризує віддалення або наближення точки A до початку системи координат O. Тангенціальна швидкість Швидкість  направлена перпендикулярно до радіус-вектора, і характеризує обертання точки А навколо початку відліку О системи координат:

    Швидкість 

причому

    Швидкість 

де Швидкість  — полярний радіус-вектор, проведений з полюса в точку, а Швидкість  — одиничний вектор, напрямлений перпендикулярно до площини руху так, що обертання радіус-вектора Швидкість  у бік збільшення кута Швидкість  відбувається проти стрілки годинника. Проєкції радіальної і дотичної швидкостей точки на напрями відповідно радіуса-вектора Швидкість  і прямої, проведеної перпендикулярно до нього в бік зростання кута Швидкість :

    Швидкість 

Повне значення швидкості в цьому разі:

    Швидкість 

Загальний випадок руху твердого тіла

Швидкість 
Загальний випадок руху твердого тіла

Швидкість поступального і обертального рухів

Загалом вільне тверде тіло має шість ступенів вільності. Його розташування в просторі визначається трьома координатами Швидкість  якоїсь довільно вибраної точки O' тіла, яку називають полюсом, і трьома кутами Ейлера ψ, θ, φ, які характеризують положення тіла відносно прямокутної декартової системи координат O'ξης, осі якої паралельні до відповідних осей основної (нерухомої) системи координат Oxyz, а початок знаходиться в полюсі O'. Відповідно рух тіла можна розглядати як сукупність двох рухів, що відбуваються одночасно — поступального зі швидкістю Швидкість  полюса O' й обертального навколо полюса з кутовою швидкістю ω, яка не залежить від вибору полюса.

На рисунку показано жорстко звʼязану з тілом рухому систему координат O'x'y'z'. Радіуси-вектори довільної точки A тіла в нерухомій і рухомій системах координат повʼязані співвідношенням:

    Швидкість 

Швидкість Швидкість  точки A тіла буде дорівнювати:

    Швидкість 

де Швидкість  — швидкість поступального руху тіла.

Закон додавання швидкостей

Звʼязок між радіусами-векторами Швидкість  і Швидкість  точки A, що рухається, проведеними відповідно з початку O нерухомої системи відліку (x, y, z) і початку O' рухомої системи (x', y', z'), має вигляд:

    Швидкість 

де x', y', z' — проєкції Швидкість  на осі рухомої системи, а Швидкість  — орти цих осей.

Абсолютна швидкість Швидкість  точки Швидкість  як похідна по часу від радіус-вектора, дорівнює за умови однаковості перебігу часу в обох системах відліку («абсолютний час»):

    Швидкість .

У цьому рівнянні:

  • перший доданок Швидкість  — швидкість поступального руху рухомої системи;
  • наступні три доданки описують зміну в часі ортів Швидкість , яка може бути зумовлена лише обертанням рухомої системи координат з кутовою швидкістю ω:
    Швидкість ;
  • останні три доданки характеризують відносну швидкість Швидкість  точки Швидкість .

Отже, Швидкість  де Швидкість  — переносна швидкість точки A, що дорівнює абсолютній швидкості тієї незмінно повʼязаної з рухомою системою відліку точки простору, з якою наразі збігається точка A, що рухається.

Отже, абсолютна швидкість руху точки дорівнює векторній сумі її переносної і відносної швидкостей:

    Швидкість .

Це положення, на якому базується перетворення Галілея, є справедливим у класичній механіці, але потребує уточнення в релятивістській механіці, де для цього використовується перетворення Лоренца.

Узагальнена швидкість

У механіці Лагранжа аналогічним чином вводиться узагальнена швидкість :

    Швидкість ,

де Швидкість  — узагальнена координата, тобто одна з величин, що визначають миттєве положення механічної системи.

Наприклад, при обертанні твердого тіла, узагальнена координата: кут повороту Швидкість . Узагальнена швидкість — це кутова швидкість:

    Швидкість 

Теорія відносності

Основний постулат теорії відносності встановлює максимальну швидкість, з якою може передаватись інформація, а, отже, і рухатися тіло. Ця максимальна швидкість — швидкість світла (мається на увазі швидкість світла у вакуумі) — є універсальною фізичною сталою.

Для опису руху тіл у теорії відносності вводиться 4-вектор швидкості, або 4-швидкість:

    Швидкість ,

де ds — просторово-часовий інтервал :

    Швидкість ,

де Швидкість  — звичайна тривимірна швидкість, а c — швидкість світла у вакуумі.

4-швидкість — безрозмірна величина. Для 4-вектора швидкості завжди справедливе рівняння:

    Швидкість 

Відносна швидкість

Значення швидкості тіла залежить від системи відліку спостерігача. У класичній механіці, яка використовує принцип Галілея, швидкість тіла в новій системі відліку є векторною різницею його швидкості в старій системі й швидкості нової системи відліку відносно старої :

    Швидкість ,

де Швидкість  — швидкість тіла в новій системі відліку, Швидкість  — швидкість тіла в старій системі відліку, Швидкість  — швидкість нової системи відліку відносно старої.

У системі відліку, яка рухається з тією самою швидкістю, що й тіло, воно є непорушним.

У теорії відносності наведена формула не є справедливою, оскільки жодне тіло не може рухатися зі швидкістю, яка перевищувала б швидкість світла. Наприклад, у разі, коли напрям швидкості нової системи відліку збігається з напрямком руху тіла, швидкість у новій системі дорівнює

    Швидкість .

За малих швидкостей Швидкість  або Швидкість  ця формула збігається з формулою перетворень Галілея.

Зв'язок з іншими фізичними величинами

Тіло, яке рухається з певною швидкістю, має імпульс та енергію. Імпульс матеріальної точки масою Швидкість , що рухається зі швидкістю Швидкість , дорівнює

    Швидкість .

Кінетична енергія такої матеріальної точки в класичній механіці дорівнює

    Швидкість .

Завдяки кінетичній енергії фізичне тіло, яке має відмінну від нуля швидкість, може здійснювати роботу.

Рівняння руху механіки задають зв'язок між прискоренням тіл та силами, які діють на ці тіла. Отже, вони є диференціальними рівняннями щодо швидкостей. Для опису часової еволюції механічної системи потрібно задати не тільки положення тіл, а і їхні швидкості в початковий момент часу. Наприклад, висота, на яку злетить підкинутий угору м'яч, і час його польоту залежать від того, яку початкову швидкість йому надали.

Деякі характерні швидкості

Космічні швидкості

Небесна механіка вивчає поведінку тіл Сонячної системи та інших небесних тіл. Рух штучних космічних тіл вивчається астродинамікою. Водночас розглядається декілька варіантів руху тіл, у кожному з яких тілу слід надати певної швидкості. Для виведення супутника на колову орбіту йому слід надати першої космічної швидкості (наприклад для виведення на орбіту штучного супутника Землі він повинен мати швидкість Швидкість 7,9 км/с). Подолати гравітаційне притягання дозволить друга космічна швидкість (наприклад, об'єкту запущеному із Землі для подолання її гравітації слід надати швидкість Швидкість 11,2 км/с). Третя космічна швидкість потрібна для того, щоб покинути зоряну систему, подолавши притяганні зорі (наприклад, об'єкт, що запущений із Землі повинен мати швидкість 16,67 км/с відносно Землі під час старту в найвигіднішому напрямі, а під час старту із Землі в найменш вигідному напрямку його необхідно розігнати до швидкості 72,8 км/с). Четверта космічна швидкість дозволить покинути галактику.

Швидкість звуку

Докладніше: Швидкість звуку

Швидкість звуку — швидкість поширення пружних хвиль у середовищі і визначається пружністю і густиною середовища. Швидкість звуку не є сталою величиною і залежить від температури (у газах), від напрямку поширення хвилі (у монокристалах) але за заданих зовнішніх умов переважно не залежить від частоти хвилі та її амплітуди. Для випадків, коли ця умова не виконується і швидкість звуку залежить від частоти, кажуть про дисперсію звуку. Вперше швидкість звуку виміряв Вільям Дерхам (англ. William Derham; 1657—1735). У газах швидкість звуку є меншою, ніж у рідинах, а в рідинах швидкість звуку менша за швидкість звуку у твердих тілах.

Відношення швидкості потоку в даній точці газового середовища до місцевої швидкості поширення звуку має назву «Число Маха». Швидкість, що відповідає М1 (1 Маху) при тиску в 1 атм, дорівнюватиме швидкості звуку в повітрі. Рух об'єктів зі швидкістю, порівняльною зі швидкістю звуку, спричиняє проявлення низки явищ, що супроводжують подолання звукового бар'єру. Швидкості від М1,2 до М5 називаються надзвуковими, швидкості понад М5 — гіперзвуковими.

Швидкість світла

Докладніше: Швидкість світла
Швидкість 
Час поширення світлового променя у масштабованій моделі Земля-Місяць. Для подолання відстані від поверхні Землі до поверхні Місяця променю світла потрібно 1,255 с

Швидкість світла у вакуумі — абсолютне значення швидкості поширення електромагнітних хвиль у вакуумі. Традиційно позначається літерою латинського алфавіту «c». Швидкість світла у вакуумі — фізична стала, що не залежить від вибору інерційної системи відліку. Вона належить до фундаментальних фізичних сталих, що характеризують не просто окремі тіла чи поля, а властивості простору-часу загалом. За сучасними уявленнями швидкість світла у вакуумі — гранична швидкість руху і поширення взаємодій.

Точне значення швидкості світла зафіксувала резолюція 117-ї Генеральної конференції мір і ваг:

c = 299 792 458 м/с.

Швидкість перебігу процесу

В українській мові термін швидкість уживається також не в механічному сенсі для визначення часових характеристик перебігу довільних процесів: наприклад, швидкість хімічної реакції, швидкість нагрівання, швидкість замерзання, швидкість випаровування. Якщо певний процес характеризується залежною від часу величиною Швидкість , то миттєва швидкість перебігу цього процесу визначається похідною Швидкість . Відповідно, середня швидкість за проміжок часу Швидкість  визначається як Швидкість .

Див. також

Примітки

Джерела

  • Єжов С. М., Макарець М. В., Романенко О. В. Класична механіка. — К. : ВПЦ "Київський університет", 2008. — 480 с.
  • Федорченко А. М. Теоретична механіка. — К. : Вища школа, 1975. — 516 с.
  • Дідух Л. Д. Основи механіки. — Тернопіль : Підручники і посібники, 2010. — 304 с. — ISBN 978-966-07-1817-3.
  • Вайданич В. І., Пенцак Г. М. Фізика. — Львів : Національний лісотехнічний університет України, 2009. — 664 с. — ISBN 5-7763-0227-7.
  • Воловик П. М. Фізика для університетів. — Київ : Перун, 2011. — 864 с. — ISBN 966-569-172-4.
  • Іванків Я. І., Палюх Б. М. Механіка [Текст] : навч. посібник для студ. фіз. спец. вузів. — Київ : ІСДО, 1995. — 228 с. — ISBN 5-7763-9897-5.
  • Козицький С. В., Поліщук Д. І. Курс загальної фізики: підруч. для студ. ВНЗ: у 6 т. Т. 1. Механіка. — Одеса : Астропринт, 2011. — 471 с.
  • Методи та засоби вимірювання вихрового компонента швидкості течії: монографія / В. Д. Погребенник ; М-во освіти і науки України, Нац. ун-т «Львів. політехніка». — Львів: Вид-во Львів. політехніки, 2015. — 180 с. : іл. — Режим доступу: . — Бібліогр.: с. 171—178 (123 назви). — ISBN 978-617-607-768-8

Посилання

Tags:

Швидкість Способи опису швидкостіШвидкість Прямолінійний рівноприскорений рухШвидкість точки при обертанні по колуШвидкість точки при плоскому русіШвидкість Загальний випадок руху твердого тілаШвидкість Узагальнена швидкістьШвидкість Теорія відносностіШвидкість Відносна швидкістьШвидкість Звязок з іншими фізичними величинамиШвидкість Деякі характерні швидкостіШвидкість перебігу процесуШвидкість Див. такожШвидкість ПриміткиШвидкість ДжерелаШвидкість ПосиланняШвидкістьВектор (математика)Модуль (математика)ПереміщенняФізична величинаФізичне тілоЧас

🔥 Trending searches on Wiki Українська:

Оперативне командування «Схід»71-ша окрема єгерська бригада (Україна)МукачевоЄлизавета IIВійна в Афганістані (1979—1989)Арестович Олексій МиколайовичСписок Героїв УкраїниГімн УкраїниХ-691984 (роман)ЕкзистенціалізмВідродженняМіграція тваринДніпро (місто)ІталіяONUKAСухопутна військова техніка УкраїниКабінет Міністрів УкраїниПрапор УкраїниУкраїнціКревська уніяЛитваГаррі Поттер (серія фільмів)Вінстон Черчилль169-й навчальний центр (Україна)Лісова пісняPorno for PyrosPaveway IVФотосинтезАсканія-Нова (заповідник)Горська Алла ОлександрівнаРуїнаХ-59ІспаніяСиневирСписок річок УкраїниДемократіяM142 HIMARSРимська республікаМішані ліси УкраїниЗнаки зодіакуСкрябін (гурт)ХерсонБельгіяВійськово-облікова спеціальністьРелігія в УкраїніВладислав Косіняк-КамишGoogle ClassroomЮдаїзмАтлантичний океанПеребудоваЧисло піRedTubeОперативне командування «Південь»Ейфелева вежаКовальчук Андрій ТрохимовичЛуцькМарія I Стюарт127-ма окрема бригада територіальної оборони (Україна)Чумацький ШляхГоголь Микола ВасильовичНиркиЛисенко Микола ВіталійовичРічард ГаддЛегенда Г'ю ГлассаРосава (співачка)23-тя окрема механізована бригада (Україна)Проблема 3 тілБілодід Дар'я ГеннадіївнаЧеркаська областьСталий розвитокInstagramРодовий відмінок однини іменників чоловічого роду другої відміниСлід (телесеріал, Україна)Су-57Промислова революція🡆 More