در مطالب قبلی مجله فرادرس با مفهوم و روش محاسبه سرعت متوسط جسم در دو موقعیت مکانی مختلف آشنا شدیم. اما در دنیای واقعی، اجسام پیوسته در حال حرکت در زمان‌ها و مکان‌های مختلف هستند. بنابراین گاهی نیاز است سرعت جسم را در هر نقطه مشخص از زمان و مکان بدانیم. در این نوشته یاد می‌گیریم چگونه سرعت یک جسم را در هر نقطه از مسیرش پیدا کنیم. این سرعت، «سرعت لحظه‌ای» (Instantaneous Velocity) نام دارد. همچنین توضیح خواهیم داد که فرمول سرعت لحظه ای چیست، چه تفاوتی با تندی لحظه‌ای دارد و چگونه در مسائل مختلف می‌توانیم آن را محاسبه کنیم.

فهرست مطالب این نوشته
997696

فرمول سرعت لحظه ای چیست؟

سرعت لحظه‌ای به ما می‌گوید یک جسم در حال حرکت در هر نقطه از مسیر خود چه سرعتی دارد. در حقیقت این سرعت، همان سرعت متوسط جسم بین دو نقطه روی یک مسیر، در یک بازه زمانی خیلی خیلی کوچک یا نزدیک به صفر است. اگر بخواهیم این تعریف را در قالب ریاضیات نشان دهیم، به فرمول سرعت لحظه‌ ای می‌رسیم که به شکل زیر است:

v(t)=limt0x(t+t)x(t)t=ddtx(t)v(t)=lim_{triangle trightarrow0}frac{x(t+triangle t)-x(t)}{triangle t}=frac{d}{dt}x(t)

  • x(t)x(t): تابع مکان جسم در زمان tt
  • x(t+t)x(t+triangle t)
  • ttriangle t: بازه زمانی
  • v(t)v(t): سرعت لحظه‌ای

برای اینکه بتوانیم چنین فرمولی برای سرعت لحظه‌ای داشته باشیم، لازم است کمیت x(t)x(t) را به‌صورت یک تابع پیوسته از مکان جسم نسبت به زمان تعریف کنیم. از طرفی می‌دانیم اگر سرعت جسمی در لحظه t1t_1

vˉ=x(t2)x(t1)t2t1bar{v}=frac{x(t_2)-x(t_1)}{t_2-t_1}

تصویری از سرعت‌سنج کیلومترشمار ماشین - سرعت لحظه ای چیست؟

حالا برای اینکه سرعت لحظه‌ای را در هر نقطه از مکان پیدا کنیم، کافی است در رابطه بالا t1t_1

vˉ=x(t+t)x(t)t+tt=x(t+t)x(t)tRightarrow bar{v}=frac{x(t+triangle t)-x(t)}{t+triangle t-t}=frac{x(t+triangle t)-x(t)}{triangle t}

طبق تعریفی که در ابتدا بیان شد، باید بازه زمانی ttriangle t خیلی خیلی کوچک و نزدیک به صفر در نظر گرفته شود تا بتوانیم سرعت جسم را در هر لحظه و در هر نقطه مشخص کنیم. این مفهوم در ریاضیات، همان میل کردن ttriangle t به سمت صفر است که با t0triangle trightarrow0. با میل کردن ttriangle t به سمت صفر و گرفتن حد عبارت بالا، سرعت متوسط به سرعت لحظه‌ای تبدیل می‌شود:

v(t)=limt0vˉ=limt0x(t+t)x(t)tRightarrow v(t)=lim_{triangle trightarrow0}bar{v}=lim_{triangle trightarrow0}frac{x(t+triangle t)-x(t)}{triangle t}

تصویری از یک خط مماس قرمز بر یک منحنی

نمودار مکان بر حسب زمان و خط مماس بر نمودار در لحظه t (برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر، روی آن کلیک کنید)

پس سرعت لحظه‌ای همان حد سرعت متوسط است، زمانی که ttriangle t به سمت صفر میل می‌کند. از طرفی با توجه به مفهوم مشتق‌ در ریاضیات، می‌توانیم عبارت x(t+t)x(t)tfrac{x(t+triangle t)-x(t)}{triangle t}

x(t+t)x(t)t=dx(t)dtfrac{x(t+triangle t)-x(t)}{triangle t}=frac{dx(t)}{dt}

بنابراین حالا می‌توانیم بگوییم فرمول سرعت لحظه ای چیست. این رابطه معادل است با مشتق تابع مکان جسم نسبت به زمان:

v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t)

سرعت لحظه‌ای هم مانند سرعت متوسط یک کمیت برداری است، به این معنا که هم اندازه آن مهم است و هم جهت آن. همچنین واحد سرعت لحظه‌ای نیز مانند واحد سرعت متوسط یا هر نوع سرعت دیگری، متر بر ثانیه (msfrac{m}{s} است. طبق فرمول سرعت لحظه‌ ای، در صورت کسر تابع مکان جسم را داریم که در سیستم SI بر حسب متر (mm) اندازه‌گیری می‌شود و در مخرج، زمان را داریم که یکای استاندارد آن ثانیه (ss) است.

چگونه سرعت لحظه ای را با فرادرس بهتر یاد بگیریم؟

در بخش قبل فهمیدیم سرعت لحظه ای چیست و با فرمول آن نیز آشنا شدیم. گفتیم سرعت لحظه‌ای، همان سرعت متوسط جسم با در نظر گرفتن یک بازه زمانی خیلی خیلی کوچک است، به گونه‌ای که این بازه زمانی عملا به سمت صفر میل‌ می‌کند. در واقع برای داشتن سرعت در هر نقطه از زمان و مکان، باید سرعت لحظه‌ای را محاسبه کنیم. در این بخش قصد داریم چند فیلم آموزشی تهیه شده در مجموعه فرادرس را به شما معرفی کنیم تا با مشاهده آن‌ها، درک بهتری نسبت به مفهوم انواع سرعت، از جمله سرعت لحظه‌ای و سرعت متوسط به‌دست آورید.

تصویری از مجموعه آموزشی ریاضی و فیزیک متوسطه در فرادرس
برای دسترسی به مجموعه فیلم آموزش ریاضی و فیزیک دوره متوسطه در فرادرس، روی تصویر کلیک کنید.

در کتاب علوم تجربی پایه نهم (بخش فیزیک) مفاهیمی مانند «حرکت، تندی و سرعت» برای اولین بار مطرح و تعریف می‌شوند. سپس در کتاب فیزیک دوازدهم، انواع حرکت توضیح داده می‌شود. به‌طور کلی در حرکت‌شناسی دو نوع حرکت داریم که عبارت‌اند از حرکت با سرعت ثابت و حرکت با شتاب ثابت. اغلب اگر حرکت با سرعت ثابت روی یک خط راست انجام شود، به آن حرکت یکنواخت نیز گفته می‌شود. بنابراین یادگیری سرعت لحظه‌ای، یکی از مهم‌ترین نکات در تشخیص نوع حرکت و به دنبال آن، تشخیص فرمول سینماتیک مناسب برای حل مسئله به‌شمار می‌رود.

  1. فیلم آموزش علوم تجربی نهم بخش فیزیک فرادرس
  2. فیلم آموزش فیزیک دهم فرادرس
  3. فیلم آموزش فیزیک دهم مرور و حل تمرین فرادرس
  4. فیلم آموزش فیزیک دوازدهم فرادرس
  5. فیلم آموزش فیزیک دوازدهم سوالات امتحانات نهایی با حل تشریحی فرادرس
  6. فیلم آموزش فیزیک دوازدهم مرور و حل تمرین فرادرس
  7. فیلم آموزش فیزیک دوازدهم نکته و حل تست کنکور فرادرس
  8. فیلم آموزش رایگان دینامیک و حرکت دایره ای فرادرس
  9. فیلم آموزش رایگان نمودار سرعت زمان در فیزیک فرادرس

محاسبه سرعت لحظه‌ای با داشتن نمودار مکان – زمان

پس از اینکه یاد گرفتیم فرمول سرعت لحظه ای چیست، در این بخش می‌خواهیم از مفهوم این فرمول استفاده کنیم و ببینیم چگونه می‌توانیم سرعت لحظه‌ای یک جسم را با داشتن نمودار مکان – زمان آن تعیین کنیم. گفتیم سرعت لحظه‌ای در یک نقطه مشخص زمانی مانند t0t_0نرخ تغییرات یا آهنگ تابع مکان در آن زمان. اگر نمودار مکان – زمان جسمی را مانند شکل زیر داشته باشیم، سرعت لحظه‌‌ای با توجه به تعاریف بالا همان شیب خط مماس بر تابع مکان در هر لحظه مانند t0t_0

تصویری از یک منحنی و چندین خط مماس روی نقاط مختلف آن
در نمودار (t)x بر حسب t، سرعت لحظه‌ای هر نقطه با شیب خط مماس بر نمودار در آن نقطه برابر است.

در ادامه می‌خواهیم تفاوت سرعت متوسط و سرعت لحظه‌ای را در شکل بالا دقیق‌تر بیان کنیم. در این تصویر، منحنی مکان – زمان به شکل یک سهمی است و همان‌طور که مشاهده می‌کنید، هفت لحظه مختلف شامل t1,t2,...,t6t_1, t_2,…,t_6

vˉ=xtbar{v}=frac{triangle x}{triangle t}

اگر بخواهیم سرعت متوسط بین هر دو نقطه از این نمودار را به‌دست آوریم، کافی است با یک خط مستقیم این دو نقطه را به هم وصل کنیم. شیب این خطوط، سرعت متوسط را به ما می‌دهد. پس هر خط، نشان‌دهنده سرعت متوسط متفاوتی به‌صورت زیر است:

  • شیب خط مستقیم قرمز رنگ: سرعت متوسط در بازه زمانی t=t6t1triangle t=t_6-t_1
  • شیب خط مستقیم سبز رنگ: سرعت متوسط در بازه زمانی t=t5t2triangle t=t_5-t_2
  • شیب خط مستقیم بنفش رنگ: سرعت متوسط در بازه زمانی t=t4t3triangle t=t_4-t_3

اما اگر دقت کنید در لحظه t0t_0انرژی جنبشی نیز آشنا شوید، مطلب «فرمول انرژی جنبشی چیست؟ – به زبان ساده با مثال و تمرین» از مجله فرادرس را مطالعه کنید.

مثال ۱

اگر نمودار مکان – زمان حرکت جسمی به شکل زیر باشد (مکان بر حسب متر و زمان بر حسب ثانیه است)، ابتدا نمودار سرعت بر حسب زمان (سرعت – زمان) آن را رسم کنید. سپس مقدار سرعت لحظه‌ای را در چهار لحظه 0.2 s,0.8 s,1.1,1.70.2 s, 0.8 s, 1.1, 1.7

تصویری از یک نمودار پله‌ای در صفحه شطرنجی

پاسخ

ابتدا حرکت جسم را طبق این نمودار مکان – زمان با هم تحلیل می‌کنیم. در لحظه‌ صفر، حرکت جسم در راستای مثبت محور xها آغاز می‌شود و با گذشت مدت زمان کمی، جسم به موقعیت مکانی x=0.5 mx=0.5 m

پس می‌توانیم حرکت جسم را به سه مرحله مختلف، شامل سه خط مستقیم با شیب‌هایی متفاوت و سه بازه زمانی تقسیم کنیم. در هر مرحله با محاسبه شیب خط متناظر که معادل با فرمول سرعت متوسط است، سرعت متوسط جسم در آن بازه زمانی حاصل می‌شود. ابتدا بازه زمانی 0 s0 s تا 0.5 s0.5 s را در نظر می‌گیریم:

vˉ1=xt=0.5 m0 m0.5 s0 s=1 msbar{v}_1=frac{triangle x}{triangle t}=frac{0.5 m – 0 m}{0.5 s-0 s}= 1 frac{m }{s}

سپس برای 0.5 s0.5 s تا 1 s1 s سرعت متوسط را محاسبه می‌کنیم:

vˉ2=xt=0.5 m0.5 m1 s0.5 s=0 msbar{v}_2=frac{triangle x}{triangle t}=frac{0.5 m – 0.5 m}{1 s-0.5 s}= 0 frac{m }{s}

همان‌طور که از نمودار مشخص بود، جسم در این بازه زمانی جابجایی ندارد و به همین دلیل سرعت آن صفر شد. در سومین بازه زمانی یعنی از 1 s1 s تا 2 s2 s، سرعت متوسط برابر است با:

vˉ1=xt=0 m0.5 m2 s1 s=0.5 msbar{v}_1=frac{triangle x}{triangle t}=frac{0 m – 0.5 m}{2 s-1 s}= -0.5 frac{m }{s}

سرعت متوسط منفی شد که نشان‌دهنده تغییر مسیر حرکت جسم است. حالا برای رسم نمودار سرعت – زمان کافی است ابتدا مقادیر مختلف سرعت را روی محور عمودی مشخص کنیم. با توجه به علامت و مقادیر سرعت‌های به‌دست آمده، بهتر است بازه انتخابی ما برای مثال از 1 ms-1 frac{m }{s}

  1. t1=0.50triangle t_1=0.5 – 0
  2. t2=10.5triangle t_2=1 – 0.5
  3. t3=21triangle t_3=2 – 1
تصویری از یک نمودار پله‌ای در صفحه شطرنجی

بنابراین باید دقت کنید که نمودار سرعت – زمان همان نمودار سرعت متوسط بر حسب زمان است. همچنین می‌توانستیم بدون استفاده از فرمول سرعت متوسط، از روی شیب خطوط متوجه شویم علامت سرعت به چه صورت است و در کدام بازه سرعت مثبت، کجا صفر و در کدام بازه منفی است. اما برای محاسبه مقدار سرعت، لازم است حتما فرمول را استفاده کنیم.

حالا می‌رویم سراغ بخش دوم سوال که مربوط به محاسبه مقادیر سرعت لحظه‌ای است. برای اینکه ببینیم سرعت لحظه‌ای در هر لحظه چقدر است، نیازی به استفاده از فرمول سرعت لحظه ای نداریم. لحظه t=0.2 st=0.2 s

به همین ترتیب، لحظه t=0.8 st=0.8 s

مثال ۲

با توجه به نمودار مکان – زمان زیر، نمودار سرعت – زمان را رسم کنید و طبق آن مشخص کنید سرعت لحظه‌ای در t=1.5 st=1.5 s

تصویری از یک نمودار در زمینه شطرنجی

برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر، روی آن کلیک کنید.

پاسخ

برای اینکه نمودار سرعت – زمان را از روی نمودار مکان – زمان رسم کنیم، کافی است ابتدا بازه‌های زمانی تفکیک شده در نمودار مکان – زمان را مشخص کنیم. منظور ما از این بازه‌ها، محدود‌ه‌هایی از زمان است که در آن به ازای تمام مقادیر tt تابع مکان شکل یکسانی دارد. بر این مبنا می‌توانیم پنج بازه زمانی به‌صورت زیر تعریف کنیم:

  1. t1=0.40triangle t_1=0.4 – 0
  2. t2=0.60.4triangle t_2=0.6 – 0.4
  3. t3=10.6triangle t_3=1 – 0.6
  4. t4=1.61triangle t_4=1.6 – 1
  5. t5=21.6triangle t_5=2 – 1.6

در مرحله بعد باید ببینیم سرعت در هر کدام از این بازه‌ها چگونه تغییر می‌کند. می‌دانیم سرعت متوسط برابر است با تغییرات مکان‌های متناظر در یک بازه زمانی مشخص. پس با داشتن نقاط ابتدا و انتهای هر بازه، می‌توانیم سرعت متوسط را به‌دست آوریم. برای مثال در اولین بازه زمانی، زمان اولیه t0=0 st_0=0 s

vˉ=xx0tt0bar{v}=frac{x-x_0}{t-t_0}

بازه زمانی تغییرات مکان سرعت متوسط
t1=0.40=0.4 striangle t_1=0.4 – 0=0.4 s x1=40=4 mtriangle x_1=4 – 0=4 m v1ˉ=x1t1=10 msbar{v_1}=frac{triangle x_1}{triangle t_1}=10 frac{m }{s}
t2=0.60.4=0.2 striangle t_2=0.6 – 0.4=0.2 s x2=24=6 mtriangle x_2=-2 – 4=-6 m v2ˉ=x2t2=30 msbar{v_2}=frac{triangle x_2}{triangle t_2}=-30 frac{m }{s}
t3=10.6=0.4 striangle t_3=1 – 0.6=0.4 s x3=6+2=4 mtriangle x_3=-6 + 2=-4 m v3ˉ=x3t3=10 msbar{v_3}=frac{triangle x_3}{triangle t_3}=-10 frac{m }{s}
t4=1.61=0.6 striangle t_4=1.6 – 1=0.6 s x4=4+6=2 mtriangle x_4=-4 + 6=2 m v4ˉ=x4t4=3.3 msbar{v_4}=frac{triangle x_4}{triangle t_4}=3.3 frac{m }{s}
t5=21.6=0.4 striangle t_5=2 – 1.6=0.4 s x5=2+4=6 mtriangle x_5=2 + 4=6 m v5ˉ=x5t5=15 msbar{v_5}=frac{triangle x_5}{triangle t_5}=15 frac{m }{s}

دقت کنید در محاسبات مقادیر منفی برای مکان را حتما مد نظر داشته باشید. حالا در یک صفحه، سرعت را روی محور عمودی و زمان را روی محور افقی قرار می‌دهیم. چون برای هر بازه زمانی سرعت متوسط مقدار ثابتی شد، پس می‌توانیم سرعت را به‌ ازای تمام مقادیر tt در هر بازه زمانی برابر با مقدار محاسبه شده در نظر بگیریم.

برای مثال در بازه زمانی سوم، سرعت متوسط برابر شد با 10 ms-10 frac{m }{s}

یک نمودار پله‌ای در زمینه شطرنجی در شکل نشان داده شده است.

برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر، روی آن کلیک کنید.

برای پاسخ به بخش دوم سوال، می‌توانیم از نمودار بالا استفاده کنیم. لحظه t=1.5 st=1.5 s

مثال ۳

فرض کنید معادله مکان ذره متحرکی به شکل زیر داده شده است که در آن x0x_0

x(t)=x0+v0t+12bt2x(t)=x_0+v_0t+frac{1}{2}bt^2

پاسخ

رسم نمودار مکان بر حسب زمان با عدد دادن به رابطه بالا انجام می‌شود. برای مثال اگر لحظه صفر را در نظر بگیریم، مکان برابر خواهد شد با:

x(t=0)=x0+v0(0)+12b(0)2=x0x(t=0)=x_0+v_0(0)+frac{1}{2}b(0)^2=x_0

پس اولین نقطه در صفحه مکان – زمان معادل است با (0,x0)(0, x_0)

تصویری از سه نمودار در کنار هم در یک صفحه شطرنجی

رسم نمودار‌های مختلف (برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر، روی آن کلیک کنید)

همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، اگر معادله شما نسبت به متغیر x از درجه دوم باشد، شکل آن سهمی خواهد بود که با رنگ سیاه در تصویر نهایی رسم شده است. بنابراین می‌رویم سراغ مرحله بعدی که مشخص کردن سرعت متوسط روی این نمودار است. طبق صورت سوال، باید دو لحظه فرضی tit_i

اگر به‌جای tt در معادله مکان، tit_i

تصویری از یک نمودار درجه دوم همراه با دو خط آبی و قرمز

برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر، روی آن کلیک کنید.

تمرین

اگر حرکت حشره‌ در حال پروازی به سمت جلو و عقب با نمودار زیر توصیف شود، در ثانیه پنجم مقدار سرعت لحظه‌ ای چیست؟

تصویری از یک نمودار خطی

2 ms2 frac{m }{s}

0 ms0 frac{m }{s}

5 ms5 frac{m }{s}

0.4 ms0.4 frac{m }{s}

گزینه دوم صحیح است. طبق شکل صورت سوال، در لحظه‌ صفر حرکت حشره در راستای مثبت محور xها شروع شده است و پس از 4 s4 s، جسم به موقعیت مکانی x=2 mx=2 m

پس می‌توانیم حرکت آن را به سه مرحله مختلف، شامل سه خط مستقیم با شیب‌هایی متفاوت تقسیم کنیم. به این ترتیب، در هر مرحله با محاسبه شیب خط متناظر که معادل با فرمول سرعت متوسط است، سرعت متوسط حشره در آن بازه زمانی حاصل می‌شود. ابتدا بازه زمانی 0 s0 s تا 4 s4 s را در نظر می‌گیریم:

vˉ1=xt=2 m0 m4 s0 s=0.5 msbar{v}_1=frac{triangle x}{triangle t}=frac{2 m – 0 m}{4 s-0 s}= 0.5 frac{m }{s}

دقت داریم که مکان متناظر با زمان ثانویه یا نهایی در این بازه، x=2 mx=2 m

vˉ2=xt=2 m2 m8 s4 s=0 msbar{v}_2=frac{triangle x}{triangle t}=frac{2 m – 2 m}{8 s-4 s}= 0 frac{m }{s}

از نمودار هم می‌توانستیم تشخیص دهیم که در این بازه چون یک خط افقی و موازی با محور زمان داریم، پس شیب یا سرعت صفر است. در سومین بازه زمانی یعنی از 8 s8 s تا 12 s12 s، سرعت متوسط برابر است با:

vˉ1=xt=0 m2 m12 s8 s=0.5 msbar{v}_1=frac{triangle x}{triangle t}=frac{0 m – 2 m}{12 s-8 s}= -0.5 frac{m }{s}

در این بازه، سرعت متوسط منفی شد که نشان‌ از تغییر مسیر حرکت حشره دارد. پس مقادیر ثابت سرعت برای هر بازه زمانی به‌دست آمدند. ثانیه پنجم حرکت، در بازه زمانی دوم قرار می‌گیرد، یعنی 4 s4 s تا 8 s8 s. خط مماس بر نمودار در این لحظه یک خط افقی است که دارای شیب معادل با صفر است.

روش محاسبه سرعت لحظه‌ای

در بخش‌ قبل دیدیم که اگر نمودار مکان – زمان یا حتی نمودار سرعت – زمان را داشته باشیم، چطور می‌توانیم سرعت لحظه‌ای را بدون کاربرد مستقیم فرمولش به‌دست آوریم. در واقع یاد گرفتیم که با استفاده از نتایج حاصل از کاربرد فرمول سرعت متوسط، سرعت لحظه‌ای را بیابیم. پیش از ادامه این بخش، اگر علاقه‌مند هستید در زمینه فیزیک مکانیک مسائل متنوع و پیشرفته‌تری در سطوح دانشگاهی حل کنید، پیشنهاد ما این است که فیلم آموزشی فیزیک ۱ دانشگاهی با رویکرد حل مساله فرادرس را مشاهده کنید. لینک این دوره در ادامه برای شما قرار داده شده است:

در این بخش می‌آموزیم که نحوه استفاده از فرمول سرعت لحظه‌ ای چیست. اولین چیزی که برای کاربرد فرمول سرعت لحظه ای لازم است مشخص باشد، تابع مکان جسم بر حسب زمان یا x(t)x(t) است. در مرحله بعد طبق فرمول زیر، فقط کافی است که از این تابع نسبت به زمان مشتق بگیریم:

v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t)

در این محاسبات مهم‌ترین نکته این است که بتوانید مشتق‌گیری را به‌راحتی انجام دهید. برای مثال، اغلب تابع x(t)x(t) به‌صورت یک چند جمله‌ای بر حسب زمان و به فرم کلی x(t)=Atnx(t)=At^n

ddtx(t)=ddtAtn=nAtn1frac{d}{dt}x(t)=frac{d}{dt}At^n=nAt^{n-1}

اما عموما در مسائل با شکل کلی‌تری از معادلات حرکت که حرکت در دو بعد یا سه بعد را توصیف می‌کند، مواجه هستیم. در چنین مواردی، معادله مکان به‌جای x(t)x(t) به‌ شکل r(t)r(t) داده می‌شود. در این معادلات برای اینکه مولفه‌های مکانی در راستای هر کدام از سه محور x، y و z از هم تفکیک شوند، از بردارهایی با اندازه واحد به نام بردار‌های یکه استفاده می‌شود که به‌صورت زیر تعریف می‌شوند:

i^hat{i} j^hat{j} k^hat{k}
بردار یکه در راستای محور xها بردار یکه در راستای محور yها بردار یکه در راستای محور zها

علت نام‌گذاری این بردارها به‌صورت بردار یکه، این است که اندازه هر کدام از این بردارها برابر است با یک. بنابراین کاربرد این بردارها در معادلات حرکت، مشخص کردن جهت هر بخش است. برای مثال معادله مکان حرکت جسمی ممکن است به شکل زیر بیان شود که در آن 5t2+15t^2+1

r(t)=(5t2+1)i^3tj^+6k^vec{r(t)}=(5t^2+1)hat{i}-3that{j}+6hat{k}

در ادامه با حل مثال‌های متنوع بهتر یاد می‌گیرید که کاربرد فرمول سرعت لحظه‌ ای چیست.

مثال ۱

برای ذره‌ای که در راستای یک خط مستقیم با معادله 52+2t+45^2+2t +4

پاسخ

با توجه به فرمول سرعت لحظه‌ای به شکل زیر، باید مشتق معادله مکان نسبت به زمان محاسبه شود:

v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t)

v(t)=ddt(52+2t+4)=ddt(2t)=2 msRightarrow v(t)=frac{d}{dt}(5^2+2t +4)=frac{d}{dt}(2t)=2 frac{m }{s}

دقت کنید باید مشتق جملاتی را محاسبه کنیم که بر حسب زمان یا tt نوشته شده‌اند. مشتق جملات عددی با مقدار ثابت، همواره برابر با صفر است. پس در تابع بالا، مشتق جمله اول و سوم صفر می‌شود و فقط دومین جمله، مشتقی مخالف صفر دارد. از طرفی معادله سرعت بر حسب زمان به‌صورت زیر خواهد شد که برابر با یک عدد ثابت است، یعنی سرعت در تمام زمان‌ها از جمله در ثانیه سوم حرکت مقدار ثابتی برابر با 2 ms2 frac{m }{s}

v(t)=2 ms v(t)=2 frac{m }{s}

مثال ۲

تابع مکان جسمی با معادله زیر مشخص شده است. سرعت لحظه‌ای جسم در لحظه t=2 st=2 s

x(t)=3t+0.5t3 mx(t)=3t+0.5t^3 m

آیا با محاسبه سرعت متوسط در بازه زمانی t=1 st=1 s

پاسخ

ابتدا فرمول سرعت لحظه‌ای را می‌نویسیم که در واقع همان مشتق تابع بالا نسبت به زمان را می‌خواهد:

v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t)

v(t)=ddt(3t+0.5t3)=ddt(3t)+ddt(0.5t3)=3+1.5t2 msRightarrow v(t)=frac{d}{dt}(3t+0.5t^3)=frac{d}{dt}(3t)+frac{d}{dt}(0.5t^3)=3+1.5t^2 frac{m }{s}

دقت کنید مشتق تابع دو جمله‌ای مکان برابر است با مجموع مشتق هر یک از دو جمله. مشتق هر یک از جملات نیز با توجه به فرمول ddtAtn=nAtn1frac{d}{dt}At^n=nAt^{n-1}

v(t=2 s)=3+1.5(2)2=3+1.5(4)=9 msRightarrow v(t=2 s)=3+1.5(2)^2=3+1.5(4)=9 frac{m }{s}

در بخش دوم سوال، پرسشی مطرح شده است که بررسی آن به شما کمک می‌کند تا کاملا تفاوت سرعت لحظه‌ای و سرعت متوسط را متوجه شوید. به‌ویژه پیشنهاد می‌کنیم، این مثال را با مثال بخش قبل مقایسه کنید تا با تفاوت نوع سوالات نیز بهتر آشنا شوید.

می‌‌خواهیم سرعت متوسط را در بازه زمانی داده شده به‌دست آوریم. طبق فرمول برای محاسبه سرعت متوسط باید مکان اولیه و نهایی جسم در آن دو لحظه مشخص باشد. پس اولین قدم این است که هر کدام از زمان‌های t=1 st=1 s

x1(t1=1 s)=3(1)+0.5(1)3=3+0.5=3.5 mx_1(t_1=1 s)=3(1)+0.5(1)^3=3+0.5=3.5 m

با قرار دادن زمان کمتر یعنی t=1 st=1 s

x2(t2=3 s)=3(3)+0.5(3)3=22.5 mx_2(t_2=3 s)=3(3)+0.5(3)^3=22.5 m

فرمول سرعت متوسط را به شکل زیر داریم:

vˉ=xt=x2x1t2t1bar{v}=frac{triangle x}{triangle t}=frac{x_2-x_1}{t_2-t_1}

vˉ=22.53.531=9.5 msRightarrow bar{v}=frac{22.5-3.5}{3-1}=9.5 frac{m }{s}

محاسبه سرعت متوسط فقط به ما این اطلاعات را می‌دهد که اگر متوسط تمام مقادیر سرعت لحظه‌ای جسم در بازه زمانی یک تا سه ثانیه را حساب کنیم، حاصل برابر می‌شود با 9.5 ms9.5 frac{m }{s}میانگین برای سرعت این بازه زمانی است و سرعت لحظه‌ای در هر زمان مشخصی در این بازه مانند لحظه t=2 st=2 s

مثال ۳

توپی با معادله زیر در حال افتادن روی زمین است. سرعت لحظه‌ای این توپ در لحظه t=10 st=10 s

x(t)=0.000015t50.004t3+0.4t  mx(t)=0.000015t^5-0.004t^3+0.4t m

سقوط آزاد توپ زرد رنگی در زمینه سیاه

برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر، روی آن کلیک کنید.

پاسخ

برای اینکه بتوانیم سرعت لحظه‌ای توپ را در یک نقطه مشخص پیدا کنیم، لازم است ابتدا معادله سرعت آن را به‌دست آوریم. پس فرمول سرعت لحظه‌ای را می‌نویسیم و از معادله مکان نسبت به زمان مشتق می‌گیریم:

v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t)

v(t)=ddt(0.000015t50.004t3+0.4t)Rightarrow v(t)=frac{d}{dt}(0.000015t^5-0.004t^3+0.4t)

v(t)=ddt(0.000015t5)ddt(0.004t3)+ddt(0.4t)Rightarrow v(t)=frac{d}{dt}(0.000015t^5)-frac{d}{dt}(0.004t^3)+frac{d}{dt}(0.4t)

v(t)=0.000075t40.012t2+0.4Rightarrow v(t)=0.000075t^4-0.012t^2+0.4

حالا می‌توانیم لحظه موردنظر خود را در این رابطه قرار دهیم تا سرعت لحظه‌ای هدف محاسبه شود:

v(t=10 s)=0.000075(10)40.012(10)2+0.4=0.05 msRightarrow v(t=10 s)=0.000075(10)^4-0.012(10)^2+0.4=-0.05 frac{m }{s}

مثال ۴

جسمی را در نظر بگیرید که در راستای محور xها حرکت می‌کند و تابع مکان آن به شکل زیر است:

x(t)=x0+12bt2x(t)=x_0+frac{1}{2}bt^2

که در آن x0x_0

پاسخ

دقت کنید در این سوال از ما خواسته شده است به شیوه متفاوتی به تابع سرعت بر حسب زمان برای این جسم دست پیدا کنیم. بر خلاف مثال‌های قبل که از مشتق‌گیری تابع مکان نسبت به زمان استفاده می‌کردیم، در این سوال باید ابتدا سرعت متوسط را به‌دست آوریم. طبق تعریف، برای سرعت متوسط داریم:

vˉ=xtbar{v}=frac{triangle x}{triangle t}

و ما فقط x(t)x(t) را داریم. اگر یک بازه زمانی به‌صورت ttriangle t در نظر بگیریم، طوری که زمان اولیه ما معادل tt و زمان ثانویه ما معادل t+tt+triangle t

x(t+t)=x0+12b(t+t)2Rightarrow x(t+triangle t)=x_0+frac{1}{2}b(t+triangle t)^2

دقت کنید در معادله مکان به‌جای ttriangle t، عبارت t+tt+triangle t

x(t+t)=x0+12b(t2+(t)2+2tt)Rightarrow x(t+triangle t)=x_0+frac{1}{2}b(t^2+(triangle t)^2+2ttriangle t)

حالا با نوشتن فرمول سرعت متوسط به شکل زیر، خواهیم داشت:

vˉ=x2x1t2t1=x(t+t)x(t)t+ttbar{v}=frac{x_2-x_1}{t_2-t_1}=frac{x(t+triangle t)-x(t)}{t+triangle t-t}

پس در رابطه بالا به‌جای زمان نهایی و زمان اولیه، دو زمانی که انتخاب کردیم را قرار دادیم. مکان‌های متناظر با این دو زمان را نیز با توجه به تابع مکان داریم و در رابطه قرار می‌دهیم:

vˉ=x0+12b(t2+(t)2+2tt)x012bt2tbar{v}=frac{x_0+frac{1}{2}b(t^2+(triangle t)^2+2ttriangle t)-x_0-frac{1}{2}bt^2}{triangle t}

vˉ=12b(t)2+bttt=(bt)(12t+t)tbar{v}=frac{frac{1}{2}b(triangle t)^2+bttriangle t}{triangle t}=frac{(btriangle t)(frac{1}{2}triangle t+t)}{triangle t}

vˉ=12bt+btRightarrow bar{v}=frac{1}{2}btriangle t+bt

در نهایت به رابطه بالا برای سرعت متوسط می‌رسیم. حالا برای اینکه از از این عبارت سرعت لحظه‌ای را به دست آوریم باید به تعریف ابتدای نوشته رجوع کنیم. گفتیم زمانی که سرعت متوسط را در بازه زمانی بسیار بسیار کوچک اندازه‌گیری کنیم، یعنی اختلاف بین دو زمان اولیه و نهایی آن خیلی خیلی ناچیز باشد، در این صورت سرعت متوسط به سمت سرعت لحظه‌ای میل می‌کند. این بیان به این معنا است که اگر ttriangle t به سمت صفر میل کند، سرعت متوسط با سرعت لحظه‌ای برابر است. پس با گرفتن حد سرعت متوسط به‌دست آمده و میل کردن ttriangle t به سمت صفر، خواهیم داشت:

v(t)=limt0vˉv(t)=lim_{triangle trightarrow0}bar{v}

v(t)=limt0(12bt+bt)=btv(t)=lim_{triangle trightarrow0}{(frac{1}{2}btriangle t+bt)}=bt

در آخرین محاسبه، با صفر قرار دادن ttriangle t، معادله سرعت لحظه‌ای به‌دست آمد. پس ما در این مثال سعی کردیم بدون مشتق‌گیری مستقیم از معادله مکان در صورت سوال، معادله سرعت را پیدا کنیم. در ادامه خواهید دید که با مشتق‌گیری از تابع مکان و با یک روند خیلی سریع‌تر به همین جواب می‌رسیم:

v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t)

v(t)=ddt(x0+12bt2)=ddt(x0)+ddt(12bt2)Rightarrow v(t)=frac{d}{dt}(x_0+frac{1}{2}bt^2)=frac{d}{dt}(x_0)+frac{d}{dt}(frac{1}{2}bt^2)

چون x0x_0

v(t)=btRightarrow v(t)=bt

مثال ۵

در لحظه t=2 st=2 s

r(t)=t2i^+t2j^vec{r(t)}=t^2hat{i}+t^2hat{j}

پاسخ

برای پیدا کردن سرعت لحظه‌ای، از فرمول آن به شکل زیر استفاده می‌کنیم:

v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t)

v(t)=ddt(t2i^+t2j^)=ddt(t2i^)+ddt(t2j^)=2ti^+2tj^vec{v(t)}=frac{d}{dt}(t^2hat{i}+t^2hat{j})=frac{d}{dt}(t^2hat{i})+frac{d}{dt}(t^2hat{j})=2that{i}+2that{j}

دقت کنید در مشتق‌گیری از یک معادله مکان برداری به شکل بالا، از بردارهای یکه مشتق‌گیری انجام نمی‌شود، مگر اینکه در صورت سوال ذکر شود که این بردارها نیز با زمان تغییر می‌کنند. پس معادله سرعت به شکل زیر است و با قرار دادن لحظه موردنظر، سرعت لحظه‌ای مشخص خواهد شد:

v(t)=2ti^+2tj^v(t=2)=4i^+4j^vec{v(t)}=2that{i}+2that{j} Rightarrow vec{v(t=2)}=4hat{i}+4hat{j}

پس سرعت لحظه‌ای به شکل برداری و با دو مولفه در راستای محور x و y به شکل بالا به‌دست آمد. اما در صورت سوال، اندازه این سرعت خواسته شده است. بنابراین با استفاده از قضیه فیثاغورس اندازه سرعت می‌شود:

v(t=2)=42+42=5.65 ms Rightarrow v(t=2)=sqrt{4^2+4^2}=5.65 frac{m }{s}

تمرین ۱

اگر مکان ذره‌ای با تابع x(t)=3t3+5tx(t)=3t^3+5t

t=53 st=frac{5}{3} s

چنین زمانی وجود ندارد.

گزینه آخر صحیح است. برای پاسخ به این سوال باید ابتدا سرعت لحظه‌ای را با توجه به فرمول آن محاسبه کنیم:

v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t)

v(t)=ddt(3t3+5t)=ddt(3t3)+ddt(5t)=27t2+5v(t)=frac{d}{dt}(3t^3+5t)=frac{d}{dt}(3t^3)+frac{d}{dt}(5t)=27t^2+5

پس معادله سرعت بر حسب زمان مشخص شد. حالا زمانی را می‌خواهیم که در آن سرعت لحظه‌ای صفر شود. با مساوی صفر قرار دادن عبارت بالا، باید بتوانیم این زمان را به‌دست آوریم:

v(t)=027t2+5=027t2=5v(t)=0 Rightarrow 27t^2+5=0 Rightarrow 27t^2=-5

t2=527 Rightarrow t^2=frac{-5}{27}

اما چنین چیزی محال است. چون t2 t^2 همواره یک عدد مثبت است که با مقدار منفی برابر شده است. پس محاسبه چنین زمانی ممکن نیست. به عبارت دیگر، سرعت این ذره هیچ‌گاه صفر نخواهد شد که البته در واقعیت چنین چیزی محال است، چون همواره نیروهایی مانند اصطکاک یا مقاومت هوا وجود دارند که باعث توقف حرکت اجسام و ذرات می‌شوند.

تمرین ۲

اگر معادله مکان ذره‌ای به شکل r(t)=(t+2)i^+(4t2+2)j^vec{r(t)}=(t+2)hat{i}+(4t^2+2)hat{j}

v(t=0)=1 msv(t=0)=1 frac{m }{s}

v(t=0)=1 msv(t=0)=1 frac{m }{s}

v(t=0)=0 msv(t=0)=0 frac{m }{s}

v(t=0)=0 msv(t=0)=0 frac{m }{s}

گزینه دوم صحیح است. با نوشتن فرمول سرعت لحظه‌ای و مشتق‌گیری از معادله مکان بالا، معادله سرعت به شکل زیر خواهد شد:

v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t)

v(t)=ddt((t+2)i^+(4t2+2)j^)=ddt(t+2)i^+ddt(4t2+2)j^vec{v(t)}=frac{d}{dt}((t+2)hat{i}+(4t^2+2)hat{j})=frac{d}{dt}(t+2)hat{i}+frac{d}{dt}(4t^2+2)hat{j}

v(t)=i^+8tj^vec{v(t)}=hat{i}+8that{j}

لحظه صفر یعنی t=0 t=0

v(t=0)=i^+8tj^=i^+0=i^vec{v(t=0)}=hat{i}+8that{j}=hat{i}+0=hat{i}

در معادله سرعت به‌دست آمده، مولفه‌ای از سرعت که در راستای محور x است، دارای ضریب یک است. بنابراین اگر بخواهیم به‌جای زمان عددگذاری کنیم، این مولفه تغییری نمی‌کند، چون ثابت است. اما مولفه y سرعت که به زمان وابسته است، با صفر شدن زمان، صفر می‌شود.

پس سرعت در لحظه صفر برابر با مقدار ثابت v(t=0)=i^vec{v(t=0)}=hat{i}

تندی لحظه‌ای چیست؟

برای اینکه مفهوم تندی لحظه‌ای را به‌خوبی درک کنیم، لازم است تفاوت آن را با سرعت لحظه‌ای بدانیم. پس در این بخش تفاوت «سرعت» (Velocity) یا vv و «تندی» (Speed) یا ss را بررسی می‌کنیم. در فیزیک بین این دو کمیت تفاوت بزرگی وجود دارد که در حل مسائل و تشخیص نوع حرکت جسم بسیار موثر است. تندی در فیزیک یک کمیت نرده‌ای یا اسکالر است، یعنی فقط اندازه دارد. در حالی که سرعت در فیزیک یک کمیت برداری است و علاوه بر اندازه، جهت نیز دارد.

علت این تفاوت به فرمول این دو کمیت برمی‌گردد. در فرمول سرعت، جابجایی جسم بر زمان تقسیم می‌شود و چون جابجایی یک کمیت برداری است، پس سرعت هم یک کمیت برداری محسوب می‌شود. اما در فرمول تندی، بجای جابجایی مسافتی که جسم پیموده است (d)(d) در فرمول قرار می‌گیرد. مسافت یک کمیت نرده‌ای است و در نتیجه، تندی هم نرده‌ای است. فرمول‌ سرعت متوسط و تندی متوسط به شکل زیر است:

vˉ=xtvec{bar{v}}=frac{vec{triangle x}}{triangle t}

sˉ=dtbar{s}=frac{{d}}{triangle t}

تصویری از جابجایی یک شخص دوچرخه‌سوار بین دو خانه

تفاوت جابجایی و مسافت (برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر، روی آن کلیک کنید)

با دقت بیشتر در شکل بالا، می‌توانیم بگوییم مقدار عددی این دو کمیت نیز ممکن است با هم تفاوت داشته باشد، چون مسافت طی شده توسط این شخص نسبت به جابجایی او قطعا عدد بزرگتری است. مثال دیگری را در نظر بگیرید که در آن سفر شخصی از خانه به شهر دیگر و بازگشت مجدد او به خانه مد نظر است.

در این شرایط جابجایی این شخص صفر می‌شود، با اینکه مسافت خیلی زیادی را پیموده است. بنابراین سرعت متوسط شخص هم صفر می‌شود، در حالی که تندی متوسط آن مخالف صفر است. پس نمی‌توانیم اندازه سرعت متوسط را با تندی برابر در نظر بگیریم. اما در مورد سرعت لحظه‌ای و تندی لحظه‌ای این امکان وجود دارد، یعنی اندازه سرعت لحظه‌ای با تندی لحظه‌ای برابر است:

تندی لحظه‌ای = s(t)=v(t)s(t)=|vec{v(t)}|

فرض کنید اندازه سرعت لحظه‌ای جسمی 1 ms1 frac{m }{s}

نکته: تندی همیشه یک عدد مثبت است.

مثال ۱

فرض کنید حرکت ذره‌ای با معادله x(t)=3t3t2 mx(t)=3t-3t^2 m

پاسخ

همان‌طور که گفتیم، تندی لحظه‌ای ذره برابر است با اندازه سرعت لحظه‌ای آن. پس اولین قدم این است که سرعت لحظه‌ای را طبق فرمول حساب کنیم:

v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t)

v(t)=ddt(3t3t2)=ddt(3t)ddt(3t2)=36t msRightarrow v(t)=frac{d}{dt}(3t-3t^2)=frac{d}{dt}(3t)-frac{d}{dt}(3t^2)=3-6t frac{m }{s}

حالا برای محاسبه سرعت در هر کدام از این لحظات، باید زمان‌های داده شده را در معادله سرعت بالا جایگزین کنیم:

v(t=0.25 s)=36(0.25)=1.5 msRightarrow v(t=0.25 s)=3-6(0.25)=1.5 frac{m }{s}

v(t=0.5 s)=36(0.5)=0 msRightarrow v(t=0.5 s)=3-6(0.5)=0 frac{m }{s}

v(t=1 s)=36(1)=3 msRightarrow v(t=1 s)=3-6(1)=-3 frac{m }{s}

سرعت‌های لحظه‌ای پیدا شدند. پس می‌توانیم تندی لحظه‌ای را برای هر زمان به شکل زیر تعیین کنیم:

تندی لحظه‌ای = s(t)=v(t)s(t)=|vec{v(t)}|

s(t=0.25 s)=v(t=0.25 s)=+1.5 ms=+1.5 msRightarrow s(t=0.25 s)=|{v(t=0.25 s)}|=|+1.5 frac{m }{s} |=+1.5 frac{m }{s}

s(t=0.5 s)=v(t=0.5 s)=0 msRightarrow s(t=0.5 s)=|{v(t=0.5 s)}|=0 frac{m }{s}

s(t=1 s)=v(t=1 s)=3 ms=+3 msRightarrow s(t=1 s)=|{v(t=1 s)}|=|-3 frac{m }{s}|=+3 frac{m }{s}

در روابط بالا می‌دانیم که همواره قدر مطلق یک عدد (چه منفی باشد و چه مثبت) برابر است با همان عدد، اما با علامت مثبت. در بخش دوم سوال، رسم نمودارهای مکان – زمان، سرعت – زمان و تندی – زمان از ما خواسته شده است. برای رسم نمودار مکان – زمان کافی است طبق جدول زیر،ِ چند عدد در بازه زمانی t=0 st=0 s

زمان مکان
t=0 st=0 s x(t)=3(0)3(0)2=0 mx(t)=3(0)-3(0)^2=0 m
t=0.25 st=0.25 s x(t)=3(0.25)3(0.25)2=0.5 mx(t)=3(0.25)-3(0.25)^2=0.5 m
t=0.5 st=0.5 s x(t)=3(0.5)3(0.5)2=0.75 mx(t)=3(0.5)-3(0.5)^2=0.75 m
t=1 st=1 s x(t)=3(1)3(1)2=0 mx(t)=3(1)-3(1)^2=0 m

حالا با در نظر گرفتن مکان روی محور عمودی و زمان روی محور افقی، مکان هر کدام از نقاط بالا را در صفحه مشخص کرده و آن‌ها را به هم وصل می‌کنیم. همچین با توجه به اینکه معادله مکان بر حسب زمان یک معادله درجه دو است، انتظار داریم که شکل نمودار منحنی یا در واقع، یک سهمی باشد. شکل شماره یک در تصویر زیر منحنی مکان – زمان برای این ذره را نشان می‌‌دهد. طبق این نمودار، حرکت ذره از لحظه صفر در جهت مثبت تا لحظه t=0.5 st=0.5 s

تصویری از سه نمودار در یک صفحه شطرنجی

نمودارهای مکان، سرعت و تندی بر حسب زمان (برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر، روی آن کلیک کنید)

مرحله بعد رسم نمودار سرعت – زمان است. با توجه به اینکه در قسمت اول سوال معادله سرعت را همراه با مقادیر سرعت لحظه‌ای در سه نقطه زمانی به‌دست آوردیم، رسم این نمودار چندان سخت نیست. کافی است چهار نقطه زمانی و سرعت‌های متناظر با هر کدام را طبق جدول زیر در صفحه سرعت – زمان مطابق نمودار شماره دو در تصویر بالا به هم متصل کنیم. اگر دقت کنید، تغییر مسیر حرکت ذره در مرحله قبل را می‌توانیم در نمودار سرعت – زمان از صفر شدن و سپس منفی شدن مقادیر سرعت نتیجه‌گیری کنیم.

زمان سرعت
t=0 st=0 s v(t)=36(0)=3 msv(t)=3-6(0)=3 frac{m }{s}
t=0.25 st=0.25 s v(t)=36(0.25)=1.5 msv(t)=3-6(0.25)=1.5 frac{m }{s}
t=0.5 st=0.5 s v(t)=36(0.5)=0 msv(t)=3-6(0.5)=0 frac{m }{s}
t=1 st=1 s v(t)=36(1)=3 msv(t)=3-6(1)=-3 frac{m }{s}

در نهایت برای رسم نمودار تندی – زمان، فقط کافی است اندازه سرعت‌های به‌دست آمده در مرحله قبل را به‌دست آوریم. سپس هر کدام از این نقاط را در صفحه تندی بر حسب زمان به شکل بالا به هم وصل می‌کنیم. به تفاوت نمودارهای شماره دو و سه برای سرعت و تندی توجه کنید.

زمان تندی
t=0 st=0 s  v(t)=+3=+3 ms|vec{v(t)}|=|+3|=+3 frac{m }{s}
t=0.25 st=0.25 s  v(t)=+1.5=+1.5 ms|vec{v(t)}|=|+1.5|=+1.5 frac{m }{s}
t=0.5 st=0.5 s  v(t)=0=0 ms|vec{v(t)}|=|0|=0 frac{m }{s}
t=1 st=1 s  v(t)=3=+3 ms|vec{v(t)}|=|-3|=+3 frac{m }{s}

اگر بخواهیم از روی نمودار مکان – زمان در مورد سرعت لحظه‌ای تصمیم‌گیری کنیم، با توجه به اینکه می‌دانیم سرعت لحظه‌ای برابر است با شیب خط مماس بر نمودار در هر لحظه، پس می‌توانیم تحلیل زیر را داشته باشیم:

  • با شروع از لحظه صفر تا t=0.5 st=0.5 s
  • با شروع از لحظه صفر تا t=0.5 st=0.5 s
  • از لحظه t=0.5 st=0.5 s
  • از لحظه t=0.5 st=0.5 s

این تفسیر با نمودار سرعت – زمان نیز کاملا هماهنگ است. در مورد نمودار تندی – زمان نیز با توجه به در نظر نگرفتن علامت سرعت، بخش افزایشی یا کاهشی بودن مقادیر تندی با نمودار مکان – زمان کاملا هم‌خوانی دارد.

مثال ۲

اگر حرکت مورچه‌ای روی دیوار و در راستای محور y به شکل زیر توصیف شود، تندی لحظه‌ای آن در t=8 st=8 s

تصویری از یک نمودار خطی

برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر، روی آن کلیک کنید.

پاسخ

ابتدا بازه‌های زمانی تفکیک شده در نمودار مکان – زمان حرکت این مورچه را مشخص می‌‌کنیم:

  1. t1=40triangle t_1=4- 0
  2. t2=74triangle t_2=7- 4
  3. t3=97triangle t_3=9- 7

حالا باید ببینیم سرعت متوسط مورچه در هر کدام از این بازه‌ها چگونه تغییر می‌کند. می‌دانیم سرعت متوسط برابر است با تغییرات مکانی متناظر با یک بازه زمانی مشخص. پس با داشتن نقاط ابتدا و انتهای هر بازه، می‌توانیم سرعت متوسط را به‌دست آوریم. برای مثال در اولین بازه زمانی، زمان اولیه t0=0 st_0=0 s

vˉ=xx0tt0bar{v}=frac{x-x_0}{t-t_0}

با رسم جدولی به شکل زیر، می‌توانیم محاسبات خود را راحت‌تر جلو ببریم:

بازه زمانی تغییرات مکان سرعت متوسط
t1=40=4 striangle t_1=4 – 0=4 s x1=26=4 mtriangle x_1=2 – 6=-4 m v1ˉ=x1t1=1 msbar{v_1}=frac{triangle x_1}{triangle t_1}=-1 frac{m }{s}
t2=74=3 striangle t_2=7 – 4=3 s x2=22=0 mtriangle x_2=2 – 2=0 m v2ˉ=x2t2=0 msbar{v_2}=frac{triangle x_2}{triangle t_2}=0 frac{m }{s}
t3=97=2 striangle t_3=9 – 7=2 s x3=52=3 mtriangle x_3=5 – 2=3 m v3ˉ=x3t3=1.5 msbar{v_3}=frac{triangle x_3}{triangle t_3}=1.5 frac{m }{s}

ثانیه هشتم حرکت این مورچه در بازه زمانی آخر قرار می‌گیرد و در این بازه، سرعت لحظه‌ای برابر است با شیب خط مماس بر نمودار. خط مماس بر نمودار در این لحظه کاملا روی نمودار منطبق خواهد شد. پس شیب خط مماس بر نمودار همان شیب نمودار است که با سرعت متوسط در این بازه زمانی معادل است. بنابراین سرعت لحظه‌ای و تندی لحظه‌ای هر دو در t=8 st=8 s

مثال ۳

اگر مکان جسمی به شکل x(t)=3t2 mx(t)=-3t^2 m

پاسخ

برای اینکه ببینیم تغییرات سرعت با زمان چگونه است، کافی است مشتق تابع مکان یا همان معادله سرعت لحظه‌ای را به‌دست آوریم:

v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t)

v(t)=ddt(3t2)=6t msRightarrow v(t)=frac{d}{dt}(-3t^2)=-6t frac{m }{s}

در پاسخ به سوال بعدی، با توجه به اینکه زمان یا tt همواره عددی مساوی با صفر یا یک عدد مثبت است، پس در معادله سرعت حاصل‌ضرب یک عدد مثبت یا صفر در یک عدد منفی یعنی 6-6 را داریم. حاصل چنین ضربی همیشه یک عدد منفی یا صفر خواهد شد، فارغ از اینکه زمان عدد کوچک یا بزرگ باشد. برای مثال فرض کنید به‌جای زمان اعداد صفر و 200200 قرار دهیم. در این صورت داریم:

v(t=0)=6(0)=0 msRightarrow v(t=0)=-6(0)=0 frac{m }{s}

v(t=200)=6(200)=1200 msRightarrow v(t=200)=-6(200)=-1200 frac{m }{s}

 پس سرعت این جسم هیچ‌گاه مثبت نخواهد شد. در آخرین سوال، سرعت و تندی لحظه‌ای را در t=10 st=10 s

v(t=10)=6(10)=60 msRightarrow v(t=10)=-6(10)=-60 frac{m }{s}

s(t)=v(t)s(t)=|vec{v(t)}|

s(t=10)=v(t=10)=60 ms=+60 msRightarrow s(t=10)=|{v(t=10)}|=|-60 frac{m }{s} |=+60 frac{m }{s}

تمرین

اگر ذره‌ای با تابع x(t)=10t2t4 mx(t)=10t-2t^4 m

6 ms-6 frac{m }{s}

14 ms-14 frac{m }{s}

6 ms6 frac{m }{s}

14 ms14 frac{m }{s}

گزینه سوم درست است. ابتدا مشتق تابع مکان را طبق فرمول سرعت لحظه‌ ای محاسبه می‌کنیم:

v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t)

v(t)=ddt(10t2t4 m)=ddt(10t)ddt(2t4)=108t msRightarrow v(t)=frac{d}{dt}(10t-2t^4 m)=frac{d}{dt}(10t)-frac{d}{dt}(2t^4)=10-8t frac{m }{s}

حالا ابتدا سرعت لحظه‌ای را در t=2 st=2 s

v(t=2)=108(2)=6 msRightarrow v(t=2)=10-8(2)=-6 frac{m }{s}

سپس تندی لحظه‌ای را در همین زمان تعیین می‌کنیم:

s(t)=v(t)s(t)=|vec{v(t)}|

s(t=2)=v(t=2)=6 ms=+6 msRightarrow s(t=2)=|{v(t=2)}|=|-6 frac{m }{s} |=+6 frac{m }{s}

همین روند را برای t=3 st=3 s

v(t=3)=108(3)=14 msRightarrow v(t=3)=10-8(3)=-14 frac{m }{s}

s(t=3)=v(t=3)=14 ms=+14 msRightarrow s(t=3)=|{v(t=3)}|=|-14 frac{m }{s} |=+14 frac{m }{s}

نکته: بدون انجام محاسبات در ابتدا می‌توانستیم با توجه به اینکه تندی همیشه مثبت است، گزینه‌های اول و دوم را حذف کنیم.

مسیر یادگیری حرکت‌شناسی برای دانشجویان با فرادرس

در انتهای این نوشته و پیش از اینکه به جمع‌بندی مطالب گفته شده بپردازیم و مجددا توضیح دهیم که سرعت لحظه ای چیست، می‌خواهیم مشاهده چند فیلم آموزشی از فرادرس را به شما پیشنهاد دهیم. کتاب‌های فیزیک پایه دانشگاهی در اغلب رشته‌ها شامل علوم پایه و مهندسی تدریس می‌شوند و یکی از مهم‌ترین مباحث این کتاب‌ها، سینماتیک است. فرادرس چند دوره آموزشی با عنوان فیزیک پایه دانشگاهی تهیه کرده است که تماشای این دوره‌ها به یادگیری بهتر شما کمک خواهد کرد:

تصویری از مجموعه آموزش فیزیک پایه در فرادرس
برای دسترسی به مجموعه فیلم آموزش فیزیک پایه در فرادرس، روی تصویر کلیک کنید.
  1. فیلم آموزش رایگان بردارها در فیزیک ۱ دانشگاهی فرادرس
  2. فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ فرادرس
  3. فیلم آموزش فیزیک ۱ دانشگاهی با رویکرد حل مساله فرادرس
  4. فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ مرور و حل مساله فرادرس
  5. فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ مرور و حل تست فرادرس
  6. فیلم آموزش رایگان فیزیک پایه ۱ حرکت دورانی فرادرس
  7. فیلم آموزش رایگان حرکت ذره در سه بعد در مکانیک تحلیلی فرادرس
  8. فیلم آموزش رایگان حرکت در چارچوب نالخت فرادرس
  9. فیلم آموزش رایگان سینماتیک ذرات در دینامیک مهندسی فرادرس

همچنین دو فیلم آموزشی فرادرس با موضوع کاربرد نرم‌افزار و حل مسائل حرکت‌شناسی، شامل موارد زیر هستند:

  1. فیلم آموزش رایگان شبیه سازی حرکت یک پرتابه در متلب فرادرس
  2. فیلم آموزش حل مسائل فیزیک با پایتون فرادرس

جمع‌بندی

در این نوشته از مجله فرادرس آموختیم فرمول سرعت لحظه‌ ای چیست و چه تفاوتی با سرعت متوسط دارد. سرعت لحظه‌ای تابعی پیوسته از زمان است که سرعت یک جسم در حال حرکت را در هر نقطه از زمان تعیین می‌کند. برای اینکه بتوانیم این سرعت را در یک لحظه مشخص محاسبه کنیم، کافی است از تابع مکان جسم نسبت به زمان مشتق بگیریم تا معادله سرعت بر حسب زمان یا v(t) v(t) تعیین شود. سپس با قرار دادن مقدار آن لحظه مشخص به‌جای tt، سرعت لحظه‌ای به‌دست می‌آید.

اگر نمودار مکان – زمان حرکت جسم را در اختیار داشته باشیم، برای تعیین سرعت لحظه‌ای باید خط مماس بر نمودار را در آن لحظه مشخص رسم کنیم. شیب این خط که معادل مشتق معادله مکان نسبت به زمان است، سرعت لحظه‌ای را مشخص می‌کند. سرعت لحظه‌ای یک کمیت برداری است و می‌تواند مقداری منفی داشته باشد. اما تندی لحظه‌ای که برابر با قدر مطلق سرعت لحظه‌ای است، همیشه یک عدد مثبت است. جدول زیر تفاوت‌های سرعت لحظه‌ای و سرعت متوسط را به‌خوبی نشان می‌دهد:

سرعت لحظه‌ای سرعت متوسط
تعریف سرعت جسم در یک لحظه مشخص از زمان میزان جابجایی جسم در یک بازه زمانی
فرمول v(t)=ddtx(t)v(t)=frac{d}{dt}x(t) vˉ=xtbar{v}=frac{triangle x}{triangle t}
نحوه محاسبه limt0xtlim_{triangle trightarrow0}frac{triangle x}{triangle t} vˉ=xx0tt0bar{v}=frac{x-x_0}{t-t_0}

source

توسط expressjs.ir