Скорость

Величина скорости

В повседневном использовании и в кинематике скорость (обычно называемая v ) объекта — это величина изменения его положения с течением времени или величина изменения его положения за единицу времени; таким образом, это скалярная величина. ^[1] Средняя скорость объекта за интервал времени равна расстоянию , пройденному объектом, деленному на продолжительность интервала; ^[2] мгновенная скорость является пределом средней скорости при приближении длительности интервала времени к нулю. Скорость – это величина скорости (вектор), которая дополнительно указывает направление движения.

Скорость имеет размеры расстояния, деленного на время. Единицей скорости в системе СИ является метр в секунду (м/с), но наиболее распространенной единицей измерения скорости в повседневной жизни является километр в час (км/ч) или, в США и Великобритании, мили в час (миль в час). ). Для воздушных и морских путешествий обычно используется узел .

Самая быстрая возможная скорость, с которой может перемещаться энергия или информация, согласно специальной теории относительности , — это скорость света в вакууме c =299 792 458 метров в секунду (приблизительно1 079 000 000  км/ч или671 000 000  миль в час ). Материя не может достичь скорости света, поскольку для этого потребуется бесконечное количество энергии. В физике относительности понятие быстроты заменяет классическое представление о скорости.

Определение

Историческое определение

Итальянскому физику Галилео Галилею обычно приписывают то, что он первым измерил скорость, учитывая пройденное расстояние и время, которое оно занимает. Галилей определил скорость как расстояние, пройденное за единицу времени. ^[3] В форме уравнения, т.е.

v знак равно d т , {\displaystyle v={\frac {d}{t}},}

${\displaystyle v}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle t}$

Мгновенная скорость

Скорость в некоторый момент времени или предполагаемая постоянная в течение очень короткого периода времени называется мгновенной скоростью . Глядя на спидометр , можно в любой момент узнать мгновенную скорость автомобиля. ^[3] Автомобиль, движущийся со скоростью 50 км/ч, обычно движется с постоянной скоростью менее одного часа, но если бы он ехал с этой скоростью целый час, он проехал бы 50 км. Если бы автомобиль продолжал двигаться с такой скоростью в течение получаса, он преодолел бы половину этого расстояния (25 км). Если бы оно продолжалось всего одну минуту, оно преодолело бы около 833 м.

В математических терминах мгновенная скорость определяется как величина мгновенной скорости , то есть производная положения по времени : ^{[2] [4]} ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {v}}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {r}}}$

$${\displaystyle v=\left|{\boldsymbol {v}}\right|=\left|{\dot {\boldsymbol {r}}}\right|=\left|{\frac {d{\boldsymbol {r}}}{dt}}\right|\,.}$$

Если длина пути (также известного как расстояние), пройденного до времени , скорость равна производной по времени : ^[2] ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle s}$

$${\displaystyle v={\frac {ds}{dt}}.}$$

В частном случае, когда скорость постоянна (то есть постоянная скорость по прямой), это можно упростить до . Средняя скорость за конечный интервал времени равна общему пройденному расстоянию, деленному на продолжительность времени. ${\displaystyle v=s/t}$

Средняя скорость

Например, скорость шара для боулинга при первом выпуске будет выше его средней скорости, а после замедления из-за трения его скорость при достижении кеглей будет ниже его средней скорости.

В отличие от мгновенной скорости, средняя скорость определяется как общее пройденное расстояние, деленное на интервал времени. Например, если расстояние в 80 километров проехать за 1 час, средняя скорость составит 80 километров в час. Аналогично, если за 4 часа проехать 320 километров, средняя скорость также составит 80 километров в час. Если расстояние в километрах (км) разделить на время в часах (ч), результат будет в километрах в час (км/ч).

Средняя скорость не описывает изменения скорости, которые могли иметь место в течение более коротких интервалов времени (поскольку она представляет собой все пройденное расстояние, разделенное на общее время путешествия), и поэтому средняя скорость часто сильно отличается от значения мгновенной скорости. ^[3] Если известны средняя скорость и время путешествия, пройденное расстояние можно рассчитать, изменив определение на

$${\displaystyle d={\boldsymbol {\bar {v}}}t\,.}$$

Если использовать это уравнение для средней скорости 80 километров в час за 4-часовую поездку, то пройденное расстояние составит 320 километров.

Выражаясь графическим языком, наклон касательной в любой точке графика расстояние-время представляет собой мгновенную скорость в этой точке, а наклон хордовой линии того же графика — это средняя скорость за интервал времени, охватываемый аккорд. Средняя скорость объекта Vav = s÷t.

Разница между скоростью и скоростью

Скорость обозначает только то, насколько быстро движется объект, тогда как скорость описывает и то, насколько быстро и в каком направлении движется объект. ^[5] Если говорят, что автомобиль движется со скоростью 60 км/ч, его скорость указана. Однако если говорят, что автомобиль движется на север со скоростью 60 км/ч, то его скорость теперь задана.

Большую разницу можно заметить, рассматривая движение по кругу . Когда что-то движется по круговой траектории и возвращается в исходную точку, его средняя скорость равна нулю, но его средняя скорость находится путем деления длины окружности на время, необходимое для перемещения по кругу. Это связано с тем, что средняя скорость рассчитывается с учетом только смещения между начальной и конечной точками, тогда как средняя скорость учитывает только общее пройденное расстояние .

Тангенциальная скорость

Угловая скорость и тангенциальная скорость на диске

Тангенциальная скорость — это скорость объекта, совершающего круговое движение , т. е. движущегося по круговой траектории . ^[6] Точка на внешнем крае карусели или поворотного круга за один полный оборот проходит большее расстояние, чем точка, расположенная ближе к центру. Прохождение большего расстояния за то же время означает большую скорость, поэтому линейная скорость больше на внешнем крае вращающегося объекта, чем ближе к оси. Эта скорость по круговой траектории известна как тангенциальная скорость , потому что направление движения касается окружности круга . Для кругового движения термины «линейная скорость» и «тангенциальная скорость» используются как взаимозаменяемые, и оба используют единицы м/с, км/ч и другие.

Единицы

К единицам скорости относятся:

• метры в секунду (обозначение мс- ¹ или м/с), производная единица СИ ;
• километры в час (обозначение км/ч);
• мили в час (обозначение mi/h или mph);
• узлы ( морские мили в час, обозначение кн или уз);
• футы в секунду (обозначение fps или ft/s);
• Число Маха ( безразмерное ), скорость, деленная на скорость звука ;
• в натуральных единицах (безразмерных), скорость, деленная на скорость света в вакууме (символ c =299 792 458  м/с ).

(* = приблизительные значения)

Примеры разных скоростей

Психология

По мнению Жана Пиаже , интуитивное представление о понятии скорости у людей предшествует понятию продолжительности и основано на понятии опережения. ^[11] Пиаже изучал этот предмет, вдохновленный вопросом, заданным ему в 1928 году Альбертом Эйнштейном : «В каком порядке дети усваивают понятия времени и скорости?» ^[12] Раннее представление детей о скорости основано на «обгоне», принимая во внимание только временной и пространственный порядок, а именно: «Движущийся объект считается более быстрым, чем другой, когда в данный момент первый объект находится позади, а другой - позади». момент или около того позже другого объекта». ^[13]

Смотрите также

• Скорость воздуха
• Список рекордов скорости транспортных средств
• Типичная скорость снаряда
• Спидометр
• V скорости

Рекомендации

1. «Происхождение терминологии скорости/скорости». Обмен стеками по истории науки и математики . Проверено 12 июня 2023 г.Введение терминологии скорости/скорости профессором Тейтом в 1882 году.
2. Элерт, Гленн. «Скорость и скорость». Гиперучебник по физике . Проверено 8 июня 2017 г.
3. Hewitt 2006, с. 42 harvnb error: no target: CITEREFHewitt2006 (help)
4. «IEC 60050 - Подробности для номера IEV 113-01-33: «скорость»» . Электропедия: мировой онлайн-словарь по электротехническому словарю . Проверено 8 июня 2017 г.
5. Уилсон, Эдвин Бидвелл (1901). Векторный анализ: учебник для студентов-математиков и физиков, основанный на лекциях Дж. Уилларда Гиббса . Публикации к двухсотлетию Йельского университета. Сыновья К. Скрибнера. п. 125. hdl :2027/mdp.39015000962285.Вероятно, отсюда и возникла терминология скорости/скорости в векторной физике.
6. Хьюитт 2007, с. 131
7. Центр космических полетов имени Годдарда НАСА. «Спутниковые наблюдения за уровнем моря». Глобальное изменение климата . НАСА . Проверено 20 апреля 2022 г.
8. «Улучшите скорость ударов ногами в боевых искусствах | Получите быстрые удары ногами!». Архивировано из оригинала 11 ноября 2013 г. Проверено 14 августа 2013 г.
9. "Информационный центр лежачих велосипедов и транспортных средств с приводом от человека" . Архивировано из оригинала 11 августа 2013 г. Проверено 12 октября 2013 г.
10. Дорогой, Дэвид. «Самый быстрый космический корабль» . Проверено 19 августа 2013 г.
11. Жан Пиаже, Психология и эпистемология: к теории познания , The Viking Press, стр. 82–83 и стр. 110–112, 1973. SBN 670-00362-x
12. Зиглер, Роберт С.; Ричардс, Д. Дин (1979). «Развитие концепций времени, скорости и расстояния» (PDF) . Психология развития . 15 (3): 288–298. дои : 10.1037/0012-1649.15.3.288.
13. Дошкольное образование: истории и традиции, Том 1. Тейлор и Фрэнсис. 2006. с. 164. ИСБН 9780415326704.

• Хьюитт, П.Г. (2007). Концептуальная физика. Пирсон Образование. ISBN 978-81-317-1553-6. Проверено 20 июля 2023 г.
• Ричард П. Фейнман , Роберт Б. Лейтон, Мэтью Сэндс. Фейнмановские лекции по физике , том I, раздел 8–2. Аддисон-Уэсли , Ридинг, Массачусетс (1963). ISBN 0-201-02116-1 .