Chuyển động của các vật thể trong không gian được mô tả bằng một tập hợp các đặc điểm, trong đó các đặc điểm chính là quãng đường di chuyển, tốc độ và gia tốc. Đặc điểm thứ hai quyết định phần lớn tính đặc thù và kiểu của chính chuyển động. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xem xét câu hỏi gia tốc trong vật lý là gì và chúng tôi sẽ đưa ra một ví dụ về việc giải một bài toán bằng cách sử dụng giá trị này.
Phương trình chính của động lực học
Trước khi định nghĩa gia tốc trong vật lý, chúng ta hãy đưa ra phương trình chính của động lực học, được gọi là định luật thứ hai của Newton. Nó thường được viết như sau:
F¯dt=dp¯
Tức là, lực F¯, có đặc tính bên ngoài, đã tác dụng lên một vật thể nào đó trong thời gian dt, dẫn đến sự thay đổi động lượng theo giá trị dp¯. Vế trái của phương trình thường được gọi là động lượng của cơ thể. Lưu ý rằng các đại lượng F¯ và dp¯ có bản chất là vectơ, và các vectơ tương ứng với chúng có hướnggiống nhau.
Mỗi học sinh biết công thức của động lượng, nó được viết như sau:
p¯=mv¯
Giá trị p¯ đặc trưng cho động năng tích trữ trong vật (hệ số vận tốc v¯), phụ thuộc vào tính chất quán tính của vật (hệ số khối lượng m).
Nếu chúng ta thay biểu thức này vào công thức của định luật 2 Newton, chúng ta nhận được đẳng thức sau:
F¯dt=mdv¯;
F¯=mdv¯ / dt;
F¯=ma¯, trong đó a¯=dv¯ / dt.
Giá trị đầu vào a¯ được gọi là gia tốc.
Gia tốc trong vật lý là gì?
Bây giờ chúng ta hãy giải thích giá trị a¯ được giới thiệu trong đoạn trước có nghĩa là gì. Hãy viết lại định nghĩa toán học của nó:
a¯=dv¯ / dt
Sử dụng công thức, người ta có thể dễ dàng hiểu rằng đây là gia tốc trong vật lý. Đại lượng vật lý a¯ cho biết tốc độ sẽ thay đổi nhanh như thế nào theo thời gian, nghĩa là nó là đại lượng đo tốc độ thay đổi của chính tốc độ đó. Ví dụ, theo định luật Newton, nếu một lực 1 Newton tác dụng lên một vật nặng 1 kg, thì nó sẽ thu được gia tốc 1 m / s2, nghĩa là mỗi giây chuyển động, cơ thể sẽ tăng tốc độ 1 mét mỗi giây.
Tăng tốc và tốc độ
Trong vật lý, đây là hai đại lượng khác nhau liên kết với nhau bằng phương trình động học của chuyển động. Cả hai số lượng làvectơ, nhưng trong trường hợp chung chúng có hướng khác nhau. Gia tốc luôn hướng cùng phương của lực tác dụng. Tốc độ hướng dọc theo quỹ đạo của cơ thể. Các vectơ gia tốc và vận tốc chỉ trùng với nhau khi ngoại lực có hướng tác dụng trùng với chuyển động của vật.
Không giống như tốc độ, gia tốc có thể là âm. Thực tế thứ hai có nghĩa là nó hướng ngược lại chuyển động của cơ thể và có xu hướng giảm tốc độ của nó, tức là quá trình giảm tốc xảy ra.
Công thức chung liên quan đến mô-đun tốc độ và gia tốc trông như sau:
v=v0+ at
Đây là một trong những phương trình cơ bản của chuyển động thẳng đều có gia tốc thẳng của các vật thể. Nó cho thấy rằng theo thời gian tốc độ tăng tuyến tính. Nếu chuyển động nhanh chậm như nhau, thì một số trừ phải được đặt trước số hạng at. Giá trị v0ở đây là một số tốc độ ban đầu.
Với chuyển động được gia tốc đều (tương đương chậm), công thức cũng hợp lệ:
a¯=Δv¯ / Δt
Nó khác với một biểu thức tương tự ở dạng vi phân ở chỗ ở đây gia tốc được tính trong một khoảng thời gian hữu hạn Δt. Gia tốc này được gọi là trung bình trong khoảng thời gian đã đánh dấu.
Đường đi và gia tốc
Nếu cơ thể chuyển động thẳng đều và theo đường thẳng thì quãng đường mà nó đi được trong thời gian t có thể được tính như sau:
S=vt
Nếu v ≠ const, thì khi tính quãng đường vật đi được, cần tính đến gia tốc. Công thức tương ứng là:
S=v0 t + at2/ 2
Phương trình này mô tả chuyển động có gia tốc đều (đối với chuyển động chậm dần đều, dấu "+" phải được thay bằng dấu "-").
Chuyển động tròn và gia tốc
Ở trên đã nói rằng gia tốc trong vật lý là một đại lượng vectơ, tức là sự thay đổi của nó có thể xảy ra theo cả hướng và giá trị tuyệt đối. Trong trường hợp chuyển động có gia tốc thẳng đều đã xét, hướng của vectơ a¯ và môđun của nó không đổi. Nếu mô-đun bắt đầu thay đổi, thì chuyển động như vậy sẽ không còn được gia tốc đồng đều nữa, mà sẽ vẫn là tuyến tính. Nếu hướng của vectơ a¯ bắt đầu thay đổi, thì chuyển động sẽ trở thành đường cong. Một trong những kiểu chuyển động phổ biến nhất là chuyển động của một điểm vật liệu dọc theo một đường tròn.
Hai công thức hợp lệ cho kiểu chuyển động này:
α¯=dω¯ / dt;
ac=v2/ r
Biểu thức đầu tiên là gia tốc góc. Ý nghĩa vật lý của nó nằm ở tốc độ thay đổi của vận tốc góc. Nói cách khác, α cho biết cơ thể quay nhanh hay chậm quay. Giá trị α là gia tốc tiếp tuyến, nghĩa là nó hướng theo phương tiếp tuyến với đường tròn.
Biểu thức thứ hai mô tả gia tốc hướng tâm ac. Nếu tốc độ quay tuyến tínhkhông đổi (v=const), khi đó môđun ackhông thay đổi, nhưng hướng của nó luôn thay đổi và có xu hướng hướng vật về phía tâm của hình tròn. Ở đây r là bán kính quay của cơ thể.
Vấn đề với sự rơi tự do của một cơ thể
Chúng tôi phát hiện ra rằng đây là gia tốc trong vật lý. Bây giờ, hãy trình bày cách sử dụng các công thức trên cho chuyển động thẳng đứng.
Một trong những bài toán điển hình trong vật lý với gia tốc rơi tự do. Giá trị này đại diện cho gia tốc mà lực hấp dẫn của hành tinh chúng ta truyền lên tất cả các vật thể có khối lượng hữu hạn. Trong vật lý, gia tốc rơi tự do gần bề mặt Trái đất là 9,81 m / s2.
Giả sử rằng một cơ thể nào đó ở độ cao 20 mét. Sau đó anh ta được trả tự do. Mất bao lâu để đến bề mặt trái đất?
Vì vận tốc ban đầu v0bằng 0 nên với quãng đường đi được (độ cao h) ta có thể viết phương trình:
h=gt2/ 2
Từ nơi chúng ta có được thời gian mùa thu:
t=√ (2h / g)
Thay thế dữ liệu từ điều kiện, chúng tôi thấy rằng cơ thể sẽ nằm trên mặt đất sau 2,02 giây. Trên thực tế, thời gian này sẽ lâu hơn một chút do có lực cản không khí.
