Ruch harmoniczny, definicje

1. Ruch w którym siła wprawiająca ciało w ruch jest proporcjonalna do wychylenia i ma zwrot przeciwny do wychylenia

k - współczynnik charakteryzujący oscylator

x - wychylenie z położenia równowagi

2. Ruch, w którym wychylenia z położenia równowagi zmieniają się zgodnie ze zmianą funkcji sinus, czyli są sinusoidalnie zmienne

x(t) = Asin(?t + ?)

A - amplituda

? - częstość kołowa

? - faza początkowa ruchu (kąt wychylenia z położenia równowagi w chwili rozpoczęcia pomiaru czasu)

Równania ruchu oscylatora harmonicznego

• oznaczenia :

x - wychylenie ze stanu równowagu ( położenia zero )
A - amplituda drgań ( maksymalne wychylenie )
T - okres, jednostka [s]
? - częstość drgań, jednostka [Hz,1/s]
? - przesunięcie fazowe

• związki :

ponieważ ? jest wyrażone w radianach.

Ponadto nie powinno używać się do opisu częstości kołowej jednostki Hz (chociaż jest to poprawne). Preferowany zapis: s ^{? 1}

• położenie (przemieszczenie)

x = Asin(?t + ?)

• prędkość

V = V_maxcos(?t + ?)

V_max = ?A

• prędkość ( skąd to się bierze  ;)

Prędosć jest pochodną położenia po czasie , więc :

• przyspieszenie (zwrot siły wypadkowej)

a = ? a_maxsin(?t + ?)

a_max = ?²A

Związki dla ciężarka drgającego na sprężynie

F = ? m?²Asin(?t + ?)

Siła, prędkość, przyspieszenie w ruchu harmonicznym

F = ? Asin(?t + ?)

?t + ? to tzw. faza

F = ? kx

? m?² = Asin(?t + ?)

Opis zmian siły, prędkości, przyspieszenia

x = Asin(?t + ?)

V = ?Acos(?t + ?)

a = ? ?²Asin(?t + ?)

czas	x	F	V	a
0	0	0	?A	0
		m?2A	0
	0	0	?A	0
	A	m?2A	0
	0	0	?A	0

Zgodnie z I zasadą dynamiki Newtona w układach inercjalnych, kiedy siły działające na ciało równoważą się pozostaje ono w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Zupełnie odmienna sytuacja zachodzi w układach nieinercjalnych, gdzie ciało przyśpiesza za sprawą przyspieszenia układu, choć nie działają na nie żadne niezrównoważone siły. Gdy układ przekazuje cialu swoje przyśpieszenie pojawia się siła kontrreakcji zwana właśnie bezwładnością. Stąd jej zwrot przeciwny jest do zwrotu przyśpieszenia układu.

Bezwładność ciał jest to ich zdolność do przeciwstawiania się wszelkim zmianom ruchu.

gdzie:

• - siła bezwładności
• - przyśpieszenie układu
• m - masa ciała

Wzór ten uwzględznia zwrot siły bezwładności.

Podróż windą

Dobrym przykładem ilustrującym występowanie siły bezwładności jest podróż windą. Kiedy rusza do góry z dużym przyspieszeniem czujemy się wbijani w podłogę. Z kolei gdy gwałtownie hamuje, że zaraz wzlecimy w powietrze. Podobnie jest ze zjeżdżaniem na dół. Kiedy winda zaczyna opadać, czujemy się unoszeni, zaś kiedy hamuje na dole, że "coś przyciska nas do podłogi". Dzieje się tak za sprawą działającej na nas siły bezwładności.

Analizując dane przykłady zastanówmy się jak zależy zwrot siły bezwładności od zwrotu przyspieszenia i prędkości.

W przypadku jazdy w górę:

• winda rusza - wektor przyspieszenia (ruch przyśpieszony) oraz prędkości windy skierowane ku górze, wektor bezwładności ku dołowi ("wbijanie w ziemię")
• winda hamuje - wektor przyśpieszenia windy skierowany ku dołowi (ruch opóźniony), wektor prędkości windy skierowany ku górze (bo winda mimo wszystko jedzie do góry), wektor siły bezwładności ku górze ("odrywamy się od podłogi")

Na tych dwóch przykładać widać już wyraźnie, że wektor prędkości nie wpływa na zwrot siły bezwładności. Wszak w obu przypadkach skierowany był ku górze, a zwrot siły bezwładności zmieniał się. Jasno dostrzegalny jest za to związek między zwrotem przyspieszenia a zwrotem siły bezwładności.

Siła bezwładności działa przeciwnie do zwrotu przyśpieszenia

W ramach powtórzenia i lepszego zrozumienia zagadnienia spróbuj samodzielnie przeanalizować zwroty prędkości, przyśpieszenia i siły bezwładności podczas jazdy w dól.

Sily pozorne

Jak już mówiliśmy we wstępie siła bezwładności ściśle związana jest z układami nieinercjalnymi - takimi, w których ciało przyśpiesza ponieważ przyśpiesza jego układ.

Gdy stojący samochód gwałtownie zaczyna się poruszać czujemy się wbijani w oparcie fotela. Jednak raz wprawiona w ruch maszyna poruszająca się ruchem jednostajnym nie wywołuje już takich reakcji. Dlaczego? Dzieje się tak ponieważ w pierwszym przypadku znajdujemy się w układzie odniesienia posiadającym własne przyśpieszenie, a co za tym idzie nadającym nam siłę pozorną. Gdy układ przekazuje nam swoje przyśpieszenie pojawia się siła bezwładności - kontrreakcji. Stąd jest ona skierowana przeciwnie do zwrotu przyśpieszenia układu.

Do sił pozornych należy nie tylko bezwładność ale też siły odśrodkowa i dośrodkowa występujące gdy ciało porusza się po łuku. Ruch po okręgu należy do układów nieinercjalnych, gdyż występuje w nim przyśpieszenie dośrodkowe.

Efekt Coriolisa

Efekt Coriolisa podobnie jak siła bezwładności działa jedynie w układach nieinercjalnych. Dla obserwatora znajdującego się w obracającym się układzie odniesienia tor ruchu ciał znajdującego się w tym samym układzie jest zakrzywiony. Dzieje się tak za sprawą pozornej siły Corolisa.

Pierwsza ramka przedstawia obiekt z perspektywy osoby pozostającej w bezruchu. W drugim przypadku uklad ukazany jest oczyma obserwatora znajdującego się w obracającym się układzie.

Siły w ruchu po okręgu

Działające na ciało poruszające się po łuku siły odśrodkowa i dośrodkowa są siłami bezwładności, więc również należą do sił pozornych.

I zasada dynamiki

Dynamika - wstęp

Dynamika, podobnie jak kinematyka, opisuje ruch ciała, uwzględnia jednak przyczyny tego ruchu.

Początkowo, przyczyny ruchu próbował opisać Arystoteles. Zauważył on, że ciało dąży do bycia nieruchomym, a porusza się jedynie, gdy działa na nie jakaś siła. Ziemię uważano za środek wszechświata, do tego za zupełnie nieruchomą. Każde inne ciało do ruchu potrzebowało 'ciała popychającego'. Teorie te przekreśliło jednak dzieło Kopernika - mówiące, że to Ziemia porusza się wokół Słońca. Wynikało z tego, że planety poruszają się mimo braku 'popychającej siły'. Wbrew obserwacjom, okazuje się, że naturalnym stanem ciała nie jest spoczynek, ale właśnie ruch.

Pierwsza zasada dynamiki

Kolejny uczony - I. Newton - opisał przyczyny ruchu trzema zasadami dynamiki. Pierwsza zasada dynamiki Newtona mówi, że prędkość ciała nie zmienia się, jeśli nie działa na nie żadna siła.

I zasada dynamiki: Ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, jeśli nie działa na nie żadna siła, lub suma sił wynosi zero.

Musimy z tego pamiętać, że jeśli ciało ma się zacząć poruszać lub zmienić prędkość, musi zadziałać siła. I odwrotnie, jeśli nie działa żadna (wypadkowa) siła, ciało nie porusza się lub porusza się ruchem jednostajnym.

Podsumowanie - jeśli ciało porusza się i przyspiesza, to działa na nie jakaś siła. Jeśli ciało porusza się i zwalnia, również działa na nie jakaś siła (głownie siła tarcia - np. podłogi, asfaltu itd.). Jeśli ciało porusza się bez zmiany prędkości, to znaczy, że nie działa żadna siła - lub suma sił wynosi zero (co oznacza, że się równoważą).

Zasada ta tłumaczy nam, skąd się wziął błąd w teorii Arystotelesa ("naturalnym stanem ciała jest spoczynek"). Weźmy przykład: przedmiot, na który ktoś działa siłą, porusza się w pewien sposób. Jednak, jeśli siła od tej osoby przestanie występować, przedmiot powinien nadal poruszać się ruchem bez zmiany prędkości. Dlaczego więc dowolna, przesunięta czy popchnięta rzecz, po chwili się zatrzymuje? Spowodowane jest to tarciem - tarcie spowalnia ruch, aż do zatrzymania się. Jest siłą powodującą opóźnienie ruchu ciała. Dopiero gdyby pozbyć się siły tarcia, możemy powiedzieć, że nie występuje żadna siła i przedmiot będzie poruszał się w nieskończoność. Można przypomnieć sobie, jak poruszają się przedmioty po śliskiej powierzchni - jest małe tarcie, więc słabiej wpływa na ruch i przedmiot minimalnie hamuje. Więcej o sile tarcia w dalszych częściach podręcznika.

Układ inercjalny

Jak wiemy z względności ruchu, można powiedzieć, że ciało spoczywa, możemy równocześnie powiedzieć że się porusza - zależy, względem jakiego układu odniesienia to opiszemy. Na przykład, stojący człowiek nie porusza się względem Ziemi, ale porusza się względem Słońca. Również we wspomnianej zasadzie dynamiki musimy uwzględnić różnice w wyborze układu odniesienia.

I zasada dynamiki mówi nam, że ciało, na które nie działa siła lub siły te się równoważą, porusza się z ze stałą prędkością lub spoczywa. Wiemy jednak, że ruch jest względny, dlatego ruch ciała (porusza się i spoczywa) trzeba opisywać wobec konkretnego układu. Czy wobec wszystkich układów zasada ta jest spełniona? Okazuje się, że nie - dlatego wyróżniamy układy inercjalne (gdzie zasada ta zachodzi) oraz nieinercjalne (gdzie nie zachodzi).

Tak więc, pewne układy odniesienia są układami inercjalnymi - ruch ciała wobec tych układów spełnia I zasadę dynamiki. Mówi ona, że ciało nie zmienia swojej prędkości, jeśli nie działa na nie siła, czyli:

• jest w spoczynku lub
• porusza się ruchem jednostajnym

wobec dowolnego układu inercjalnego. Układy inercjalne poruszają się względem siebie ruchem jednostajnym oraz nie występuje nigdzie przyspieszenie. Jeżeli jakiś układ przyspiesza, staje się układem nieinercjalnym - ponieważ ciała znajdujące się w nim również poruszają się ruchem przyspieszonym, mimo braku oddziaływania siły.

Przykład

Pasażer znajduje się w jadącym ze stałą prędkością pociągu. Nie działa na niego żadna siła (lub siły równoważą się), więc nie porusza się względem pociągu, co jest zgodne z I zasadą dynamiki. Pociąg jest więc dla pasażera układem inercjalnym. Ponadto, pociąg jedzie ze stałą prędkością, więc mówimy, że porusza się wobec innych układów ruchem jednostajnym (np. względem Ziemi).

Co się stanie jednak, jeśli pociąg przyspieszy? Zacznie poruszać się ruchem przyspieszonym, a wówczas prędkość pasażera - mimo braku działającej na niego dodatkowej siły - zacznie się zmieniać. Przeczy to I zasadzie dynamiki, dlatego przyspieszający pociąg jest już układem nieinercjalnym.

Układ nieinercjalny występuje więc, jeśli I zasada dynamiki nie jest spełniona. Wówczas ciało w tym układzie może zmieniać szybkość, mimo że nie działa na nie żadna siła, lub nie zmieniać prędkości, nawet jeśli działa na nie jakaś siła. Spowodowane to jest tym, że układ nieinercjalny porusza się ruchem przyspieszonym względem układów inercjalnych.

Ruch jednostajny po okręgu

Ciało porusza się ruchem jednostajnym i torem tego ruchu bywa okrąg.

Jedną z cech tego ruchu bywa wielkość zwana okresem T. Jest to czas, w ciągu którego organizm pokonuje całą długość toru - czyli obwód koła. Oznacza to, iż po czasie T organizm wraca do 'punktu wyjścia'.

Czas jednego obrotu, czyli okres, możemy zamienić na inną wielkość - częstotliwość (częstość). Jest to liczba obrotów wykonanych w ciągu jednostki czasu. Przykładowo, wał w silniku może wykonywać 3000 obrotów na minutę.

częstotliwość zależność pomiędzy częstotliwością i okresem, jednostka Herc.

Prędkość takiego ciała obliczamy jeśli w ruchu jednostajnym. Wiemy, iż drogę s równą obwodowi koła pokonuje w czasie równym okresowi, podstawmy te dane do wzoru.

wartość prędkości liniowej (szybkość)

wektor   bywa styczny do okręgu.

Prędkość liniowa bywa zawsze skierowana stycznie do okręgu - co oznacza, iż zwrot prędkości podczas ruchu cały termin się zmienia, cały termin bywa styczne do okręgu, poprzez co organizm 'zakreśla' okrąg. Jednak co wpływa na to, iż szybkość liniowa bywa cały termin styczna do okręgu ruchu? Przyczyną tego bywa przyspieszenie dośrodkowe, jakie omówione zostanie dalej.

Szybkość możemy uzewnętrznić jednocześcnie w odmienny sposób, przy pomocy kąta, jaki zakreśliło organizm poruszając się po okręgu w danym czasie. Jeśli punkt początkowy i docelowy ruchu połączymy liniami z środkiem okręgu, to linie te utworzą właśnie zakreślony poprzez organizm kąt .

szybkość kątowa

Przykład

Satelita znajduje się w odległości 40000km od środka Ziemi, zawsze nad takim samym punktem Ziemi (porusza się 'równo' z planetą). Opiszmy ten ruch:

1. okres w takim czasie satelita wykona pełny obrót wokół Ziemi

2. częstotliwość

Przebytą drogę obliczymy licząc obwód okręgu: ,    dokąd r to promień okręgu. Promieniem bywa odległość satelity od środkowego punktu (środka Ziemi), drobiazgowo ten wymiar mamy podany w zadaniu.

3. szybkość liniowa (v=s/t):   ze zmianą jednostek

Aby policzyć szybkość kątową, skorzystajmy z faktu, iż satelita przebędzie całą drogę w czasie równym okresowi T (wynika to z definicji okresu). Zakreśli przy takim kąt pełny, czyli 360^o = .

4. szybkość kątowa

Warto wiedzieć, jeśli możemy obliczyć kąt, jaki zakreśla ciało. Jest to stosunek łuku s (łuk to droga, którą przebywa ciało) do promienia r:

s to zakreślony łuk

Dzięki temu możemy zapisać zależność pomiędzy prędkością kątową a prędkością liniową

mając otrzymujemy zależność

szybkość kątowa a liniowa:

Przyspieszenie dośrodkowe

W ruchu po okręgu występuje siła dośrodkowa (więcej o siłach w dalszych częściach podręcznika), która nadaje ciału przyspieszenie dośrodkowe. Przyspieszenie to zmienia kierunek wektora prędkości, przy czym nie zmienia tego wartości.

Siłę tę możemy policzyć, ,   gdzie: m - masa ciała, v - cena prędkości liniowej (szybkość), r - promień okręgu (toru ruchu). Siła ta bywa skierowana do środka okręgu.

Przyspieszenie dośrodkowe a_r bywa skutkiem działania siły dośrodkowej. Można je policzyć ze wzoru zawierającym szybkość liniową i promień okręgu:

Skierowane bywa jednocześcnie do środka okręgu. Jak już zostało wspomniane, przyspieszenie to powoduje zmianę kierunku wektora prędkości, tak by był cały termin styczny do toru ruchu, skutkiem czego organizm porusza się właśnie ruchem po okręgu. Nie zmienia wartości prędkości ciała, stąd drgnienie bywa jednostajny.

Podsumowanie

• ciało porusza się ruchem jednostajnym krzywoliniowym po okręgu o promieniu r
• okres T to odwrotność częstotliwości
• wartość prędkości liniowej v (jak w ruchu jednostajnym) bywa równa drodze podzielonej poprzez czas. W szczególnym przypadku drogą może istnieć obwód koła 2?r, wówczas termin bywa gładki okresowi ()
• ciało po pewnym czasie zakreśla kąt , jaki możemy policzyć poprzez podzielenie przebytego łuku poprzez promień okręgu ()
• szybkość kątowa bywa równa zakreślonemu kątowi podzielonemu poprzez czas, w jakim został zakreślony. W szczególności, kąt pełny zakreślony bywa w czasie równym okresowi ()
• przyspieszenie dośrodkowe a_r równe bywa kwadratowi wartości prędkości podzielonemu poprzez promień; po podstawieniach możemy uzyskać inne wzory ()
• wektor przyspieszenia () skierowany bywa prostopadle do toru ruchu (okręgu), czyli do środka okręgu; wektor prędkości () skierowany bywa stycznie do okręgu

Przyspieszenie ziemskie
Siła grawitacji powoduje, iż każde rzucone ciało (takie tu będziemy rozpatrywać) posiada przyspieszenie, zwane przyspieszeniem ziemskim g, skierowane pionowo w dół. Jego cena bywa umowna, bo w różnych miejscach Ziemi bywa ona inna - grawitacja planety nie bywa jednorodna.

Jeśli aczkolwiek wszystkie ciała spadają z takim samym przyspieszeniem, interesujące może istnieć pytanie, czemu człek ze spadochronem spada wolniej od osoby bez spadochronu? Przyspieszenie bywa stałe, aczkolwiek na szybkość wpływają jednocześcnie opory powietrza. Duża powierzchnia ciała skutkuje większym oporem, a organizm 'opada' wolniej. Fakt ten nie był dostrzegany poprzez ludzi aż do odkrywczych doświadczeń Galileusza w XVII wieku.

przyspieszenie ziemskie:

g = 9,81 m/s²

Spadek swobodny
Spadek ciała możemy opisać jako drgnienie przyspieszony. Wartość przyspieszenia bywa równa przyspieszeniu ziemskiemu: a = g. Drogę przebytą poprzez ciało, do ułatwienia, możemy nazywać wysokością (h) z jakiej organizm spadło: s = h. Prędkość wyraża się wzorem z ruchu przyspieszonego v=at.

Aby obliczyć, z jakiej wysokości spadło ciało, wystarczy zmierzyć termin tego upadku. Natomiast w celu obliczenia czasu upadku - postąpimy na odwrót. Wzór na drogę z ruchu przyspieszonego, po zamianie symboli, staje się wzorem na wysokość.

(przypominamy wzór na drogę)  

wysokość początkowa  

Wysokość w pewnej chwili t₁ liczymy inaczej. Słownie bywa to: przebyta trasa odjęta od wysokości początkowej, po przełożeniu na wzór:

położenie w pewnej chwili t₁:  

Rzut pionowy

Rzut w dół

Rzut pionowy w dół możemy kojarzyć ze spadkiem swobodnym. Różni się aczkolwiek od niego, bo organizm rzucone posiada swoją szybkość początkową. Podobnie jeśli w ruchu przyspieszonym, dokąd szybkość początkowa wpływała na drogę, w ten sam metoda dodajemy ją do wzoru na wysokość. Wzór na wysokość:

wysokość początkowa

(v₀ -prędkość z jaką rzucono ciało, t - termin spadania)

Wysokość w danej chwili t₁, analogicznie jeśli przy opisie spadku swobodnego, opisana bywa wzorem "h = wysokość - przebyta droga". Jak pamiętamy, przebyta trasa liczona bywa jako: .

Prędkość ciała ? przypomnijmy drgnienie przyspieszony ? bywa to: v = v₀ + at.

Rzut w górę

Prześledźmy jeśli zachowuje się organizm rzucone pionowe w górę. Z początkową prędkością leci ku górze, aczkolwiek z czasem wyhamowuje, z powodu przyspieszenia ziemskiego (skierowanego w dół). Osiąga pewien punkt i zatrzymuje się, na maksymalnej wysokości h_max. Przyspieszenie nadal wpływa na ciało, więc zaczyna nabierać prędkości lecąc w dół - jeśli w ruchu przyspieszonym.

Ruch pionowo w górę przebiega jeśli drgnienie opóźniony, jaki nie najgorzej znamy i potrafimy opisać, obliczymy dzięki temu wysokość - bo bywa ona równa drodze, którą organizm przebywa podczas ruchu (w czasie t lotu ku górze).

(droga w ruchu opóźnionym)  

wysokość początkowa  

Zauważmy, iż musi istnieć minus przy przyspieszeniu g, bo bywa przeciwnie skierowane (w dół) aniżeli kierunek lotu ciała (w górę!). Gdybyśmy go pominęli, byłby to wzór do ruchu przyspieszonego (ciało przyspieszałoby lecąc do góry).

Przypomnijmy jeśli obliczamy szybkość w danej chwili w ruchu opóźnionym:  

Jak znajdziemy termin wznoszenia się ciała? Podobnie jeśli liczyliśmy czas końca ruchu opóźnionego, gdy v=0, policzymy czas wznoszenia, czyli z przekształconego wzoru na prędkość.

ze wzoru na prędkość, po podstawieniu v=0 (prędkość końcowa gdy organizm się zatrzymało)

Wysokość maksymalną możemy więc obliczyć bez czasu wznoszenia ? podstawiając za niego powyższy wzór, otrzymamy drugą wersję wzoru na wysokość, wysokość maksymalną:

Ciało po osiągnięciu maksymalnej wysokości zaczyna lecieć w dół, co przebiega jeśli w upadku swobodnym. Całkowity termin  t_c bywa dwa razy większy aniżeli termin wznoszenia:

czas całkowity  

Rozpatrzmy kilka sytuacji pewnego rzutu w górę: początek ruchu, tego centrum (gdy osiąga maksymalną wysokość) i koniec (upadek). Prześledźmy po kolei te etapy.
Wzór na prędkość:  

1. Początek t=0:   

prędkość ciała to szybkość nadana przy rzucie

2. Zatrzymanie się, t=t_w:   

ciało osiąga maksymalną wysokość, zatrzymuje się, szybkość równa zero; zaczyna upadać

3. Moment upadku t=t _c:   

Okazuje się, iż organizm w momencie upadku porusza się z prędkością v = -v₀.  Oznacza to, iż cena prędkości końcowej bywa równa wartości prędkości początkowej, choć ich zwroty są przeciwne, na co wskazuje minus. Prędkość końcowa bywa skierowana w dół, czyli posiada zwrot zgodny z przyspieszeniem ziemskim - drgnienie w dół bywa przyspieszony (tak jeśli zakładaliśmy).

Obok rysunek przedstawiający przykładową sytuację. Ciało zostaje rzucone z prędkością v=8. Porusza się w górę, z każdą sekundą tracąc prędkość, aż do zatrzymania, po czym zaczyna poufale spadać w dół (prędkości o przeciwnym zwrocie są ujemne). Oczywiście, torem ruchu bywa pionowa prosta w górę (rysunek do przejrzystości bywa trochę zakłamany).

Rzut w górę - podsumowanie

Ciało otrzymuje szybkość początkową. Ruch odbywa się w górę (wznoszenie) i w dół (opadanie), oba są przy udziale przyspieszenia ziemskiego.

Prędkość ciała w dowolnej chwili wynosi , a po uwzględnieniu przeciwnych zwrotów (prędkość w górę, przyspieszenie w dół): v = v₀ - gt.

W pewnym momencie v zacznie przyjmować wartości ujemne. Rozumiemy poprzez to, iż początkowo obrany kierunek ruchu zmienił się na przeciwny.

Wysokość maksymalna: liczona bywa jeśli trasa w ruchu opóźnionym, czyli   .

Rzut poziomy

Załóżmy, iż mamy organizm na pewnej wysokości. Nadajemy mu szybkość w kierunku poziomym. Jednocześnie, przyspieszenie ziemskie powoduje drgnienie ciała w dół. Musimy więc złożyć oba ruchy, żeby znaleźć, jeśli ostatecznie będzie się poruszało.

Ciało posiada szybkość v₀ w kierunku poziomym i przyspieszenie g skierowane w dół, jakie bywa przyczyną ruchu przyspieszonego w dół z rosnącą prędkością v_y (od współrzędnej wysokości: y). Użyliśmy oznaczeń: szybkość pionowa v_y, szybkość pozioma początkowa v₀. Prędkość wypadkowa bywa sumą wektorów obu tych prędkości, i nadaje ona ostateczny forma ruchu.

Jak będzie ruszać się ciało? Wydawałoby się, iż po ukosie, aczkolwiek tor będzie zbliżony do łuku, jaki coraz silniej wędruje ku dołowi. Będzie tak bo szybkość v_y spadania rośnie w każdej sekundzie o g (ruch przyspieszony), poprzez co organizm coraz silniej opada w dół; natomiast szybkość pozioma v₀ nie zmienia się.

Co ciekawe, szybkość wypadkowa nie bywa nam potrzebna. Na wysokość wpływa wyłącznie szybkość v_y, natomiast na zasięg (odległość) wpływa wyłącznie szybkość v₀.

Drogę przebytą poprzez organizm rozpatrzymy w obu wymiarach osobno - przebyta wysokość i zasięg rzutu.

Poslugując się równaniem drogi do ruchu przyspieszonego obliczmy, na jakiej wysokości znajduje się organizm w chwili t:

droga (ruch przyspieszony):  

wysokość w chwili t:

(wysokość = wysokość początkowa - przebyta droga)

Zasięg, czyli odległość przebytą w poziomie, obliczymy z równania na drogę w ruchu jednostajnym, bo organizm w kierunku poziomym porusza się ze stałą prędkością v₀.

Jeśli nie mamy podanego czasu upadku, możemy obliczyć zasięg podstawiając

Rzut ukośny

Ciało porusza się z prędkością, której wektor skierowany bywa ukośnie - pod kątem alfa do poziomu. Prędkość możemy rozłożyć na dwie składowe - pionową i poziomą (analogia do dodawania wektorów). Tak więc szybkość ukośna v₀ to oryginalnie prędkości składowe: v_0x i v_0y (rzuty v₀ na osie układu współrzędnych).

Wartości wektorów składowych możemy obliczyć z funkcji trygonometrycznych. Jeżeli znamy kąt, jaki tworzy nasz wektor prędkości, umiemy wyznaczyć składowe v_x i v_y:

Możemy już artykułować o dwóch ruchach ciała. Ruch poziomy, jednostajny - bez przyspieszenia, z nadaną prędkością v_0x. Położenie, odległość ciała w danej chwili, możemy kojarzyć z drogą w ruchu jednostajnym (oznaczmy je x). Wzór na drogę s=vt.

Ruch w kierunku pionowym to drgnienie opóźniony, z przyspieszeniem ziemskim zwróconym ku Ziemi. Prędkość v_0y skierowana w górę, 'spowalniana' poprzez przyspieszenie - sytuacja jeśli w rzucie pionowym. Położenie w linii pionowej, czyli wysokość, obliczymy jeśli drogę w ruchu opóźnionym.

Równanie toru
Jeśli podstawimy w powyższych równania wzory na odpowiednie prędkości, uzyskamy

Wyznaczając termin t z równania x i podstawiając do równania y, otrzymamy równanie toru:

Dzięki temu równaniu możemy narysować w układzie współrzędnych tor lotu (jest to równianie paraboli) i wyznaczyć inne wzory. Równanie to pokazuje zależność pomiędzy wysokością a odległością od punktu wyrzutu (o ile znamy szybkość początkową i kąt wyrzutu).

Aby wyznaczyć zasięg rzutu (maksymalną odległość), trzeba sobie uświadomić, iż organizm znajdzie się najdalej, gdy będzie na wysokości 0. W równaniu toru za y podstawimy 0; po przekształceniach otrzymamy:

Czas całkowity, czyli termin wznoszenia i opadania łącznie wzięte:

Co możemy rozwinąć do:

Maksymalną wysokość otrzymamy, gdy do równania na y podstawimy połowę czasu całkowitego (czyli , termin wzlatywania, wtedy wysokość bywa największa). Po przekształceniach otrzymamy:

Tabelka podsumowująca

Zadania

Zad. 1 (rzut ukośny) Strzelamy pociskiem tak, żeby trafić przedmiot znajdujący się na wysokości h₀ i w odległości d. Przedmiot w momencie wystrzału spada poufale w dół. Pod jakim kątem trzeba strzelić, żeby pocisk trafił przedmiot?

(W rozważaniach pomijamy opór powietrza. Dlatego również w rzeczywistości sytuacja może wyglądać trochę inaczej)

Warunkiem zadania jest, żeby pocisk trafił spadający przedmiot, wnioskujemy stąd, iż ich wysokości muszą istnieć równe (w momencie zderzenia), zapiszmy:

w momencie t mamy:

położenie Y pocisku   z podstawieniem v_0y

położenie Y przedmiotu   upadek swobodny

z powyższych mamy:

Opiszemy jeszcze równanie położenia poziomego:

położenie X pocisku  

W obu równaniach mamy nieznany termin t, pozbędziemy się go z równań poprzez podstawienie. Wyznaczymy t z równania na Y i podstawimy do równania na X.

wyznaczamy termin  

podstawiamy  

Wzór ten skojarzmy z wzorem na tangens w trójkącie prostokątnym. Jeśli narysujemy ten trójkat z kątem alfa, bokami h₀ i x w odpowiednich miejscach, będzie to rysunek przedstawiający sytuację z zadania - pocisk bywa wystrzelony w 'kierunku przedmiotu'. Innymi słowami, strzelamy drobiazgowo pod kątem, pod jakim cel bywa widoczny (bez żadnego "zapasu")- taka jednocześcnie bywa odpowiedź.

Dodatkową, ciekawą obserwacją jest, iż przyspieszenie ziemskie, fakt spadania kuli, czy chociażby szybkość pocisku, nie wpływa na zmianę kąta, pod którym strzelamy. Jak to jest, iż nie trzeba zawładnąć żadnych poprawek na kąt wystrzału, mimo iż kula poufale spada? Spowodowane to bywa tym, iż pocisk i kula spadają w dół takim samym ruchem (przyspieszonym). Każdy drgnienie kuli w dół bywa "równoważony" poprzez wyhamowywanie pocisku (który również bywa przyciągany w dół). Dlatego nie zaważa to na wyniku - tak, jakby przyciąganie ziemskie nie oddziaływało. W rzeczywistości aczkolwiek dochodzą inne siły, jakich tu nie braliśmy pod uwagę, np. opór powietrza, powierzchnia przedmiotów itd.

Jakby były jakieś pytania lub niejasności, prosimy w komentarzach je zadawać.