Kiến thức Phổ thông

Vận tốc là gì: Định nghĩa, công thức tính toán và bài toán mẫu

Định nghĩa vận tốc là gì?

Vận tốc được định nghĩa là một phép đo vectơ của tốc độ và hướng chuyển động. Nói một cách đơn giản, vận tốc là tốc độ mà một thứ gì đó di chuyển theo một hướng cụ thể, chẳng hạn như tốc độ của một chiếc ô tô đi về phía bắc trên một xa lộ lớn, hoặc tốc độ của một tên lửa di chuyển khi nó phóng lên vũ trụ. Độ lớn vô hướng (giá trị tuyệt đối) của vectơ vận tốc là tốc độ của chuyển động. Trong thuật ngữ tính toán, vận tốc là đạo hàm đầu tiên của vị trí đối với thời gian. Bạn có thể tính toán vận tốc bằng cách sử dụng một công thức đơn giản sử dụng tốc độ, khoảng cách và thời gian.

Công thức tính vận tốc

Cách phổ biến nhất để tính vận tốc không đổi của một vật chuyển động trên đường thẳng là theo công thức: r = d / t, hay v = s / t

Trong đó:

  • r, v là tốc độ hoặc tốc độ (đôi khi được ký hiệu là v, cho vận tốc)
  • d, s là khoảng cách di chuyển
  • t là thời gian cần thiết để hoàn thành

Đơn vị đo lường vận tốc

Đơn vị SI (quốc tế) cho vận tốc là m / s (mét mỗi giây). Nhưng vận tốc có thể được biểu thị theo bất kỳ đơn vị khoảng cách nào mỗi lần. các đơn vị khác bao gồm dặm một giờ (mph), km mỗi giờ (kph), và km mỗi giây (km / s).

So sánh tốc độ, vận tốc và gia tốc

Tốc độ, vận tốc và gia tốc đều liên quan đến nhau. Nhớ lại: Tốc độ, theo định nghĩa kỹ thuật của nó, là một đại lượng vô hướng cho biết tốc độ khoảng cách chuyển động mỗi lần. Đơn vị của nó là chiều dài và thời gian. Nói cách khác, tốc độ là thước đo khoảng cách di chuyển trong một khoảng thời gian nhất định.

Tốc độ thường được mô tả đơn giản là quãng đường đi được trên mỗi đơn vị thời gian. Đó là cách một đối tượng đang di chuyển nhanh. Vận tốc, theo định nghĩa, là một đại lượng vectơ cho biết khoảng cách trên mỗi thời gian và hướng. Giống như tốc độ, đơn vị của nó là chiều dài và thời gian, nhưng hướng cũng liên quan đến phương trình. Vận tốc đo chuyển vị theo thời gian, trái ngược với khoảng cách.

Gia tốc được định nghĩa theo thuật ngữ kỹ thuật là đại lượng vectơ biểu thị tốc độ thay đổi vận tốc. Nó có kích thước của chiều dài và thời gian. Study.com đặt nó theo thuật ngữ đơn giản hơn: “Tăng tốc thường được gọi là ‘tăng tốc’, mặc dù nó được gọi chính xác hơn là ‘tăng tốc.'” Trải nghiệm hàng ngày về tăng tốc là ở trong xe. Bạn bước lên chân ga và chiếc xe tăng tốc khi lực tăng được áp dụng cho động cơ truyền động bằng động cơ.

Tại sao bạn cần quan tâm đến vận tốc?

Vận tốc đo chuyển động bắt đầu ở một nơi và hướng tới một nơi khác. Nói cách khác, bạn sử dụng các biện pháp vận tốc để xác định tốc độ bạn (hoặc bất cứ thứ gì đang chuyển động) sẽ đến đích từ một vị trí nhất định. Các phép đo vận tốc cho phép bạn tạo thời gian biểu cho chuyến đi. Ví dụ: nếu một chuyến tàu rời ga A lúc 2 giờ chiều. biết vận tốc mà tàu đang di chuyển về phía bắc, bạn có thể dự đoán khi nào nó sẽ đến trạm B.

Tham khảo bài toán vận tốc mẫu

Để hiểu vận tốc, có thể hữu ích khi xem xét một vấn đề mẫu. Ví dụ: Một sinh viên thả một quả trứng ra khỏi một tòa nhà cực kỳ cao. Vận tốc của trứng sau 2,60 giây là bao nhiêu? Phần khó nhất về việc giải quyết vận tốc trong bài toán vật lý là chọn phương trình đúng. Trong trường hợp này, hai phương trình có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề.

Sử dụng phương trình: d = vI * t + 0,5 * a * t2

Trong đó d là khoảng cách, vI là vận tốc ban đầu, t là thời gian và a là gia tốc (do trọng lực, trong trường hợp này). Vì vậy, bạn sẽ có: d = (0 m / s) * (2,60 s) + 0,5 * (- 9,8 m / s2) (2,60 s) 2

=> d = -33,1 m (dấu âm cho biết hướng xuống dưới)

Tiếp theo, bạn có thể cắm giá trị khoảng cách này để giải quyết vận tốc bằng phương trình: vf = vi + a * t

trong đó vf là vận tốc cuối cùng, vi là vận tốc ban đầu, a là gia tốc và t là thời gian. Vì trứng đã rơi và không ném, vận tốc ban đầu là 0: vf = 0 + (-9,8 m / s2) (2,60 giây)

=> vf = -25,5 m / s

Vì vậy, vận tốc của quả trứng sau 2,60 giây là 25,5 mét mỗi giây. Mặc dù thông thường báo cáo vận tốc là một giá trị đơn giản, hãy nhớ đó là một vectơ và có hướng cũng như độ lớn. Thông thường, hướng di chuyển lên trên được biểu thị bằng dấu dương và xuống mang dấu âm.

Có thứ gì trên đời di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng không?

Một thực tế thường được biết đến trong vật lý là bạn không thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Mặc dù về cơ bản là đúng, đó cũng là một sự đơn giản hóa quá mức. Theo Thuyết tương đối, thực tế có ba cách mà các đối tượng có thể di chuyển:

  1. Với tốc độ ánh sáng
  2. Chậm hơn tốc độ ánh sáng
  3. Nhanh hơn tốc độ của ánh sáng

Di chuyển với tốc độ ánh sáng

Một trong những hiểu biết quan trọng mà Albert Einstein đã sử dụng để phát triển Thuyết tương đối của mình là ánh sáng trong chân không luôn chuyển động với cùng tốc độ. Các hạt ánh sáng photon di chuyển với tốc độ ánh sáng. Đây là tốc độ duy nhất mà tại đó các photon có thể di chuyển. Chúng không bao giờ có thể tăng tốc hoặc giảm tốc độ. Lưu ý: Các photon thay đổi tốc độ khi chúng đi qua các vật liệu khác nhau. Đây là cách khúc xạ xảy ra, nhưng đó là tốc độ tuyệt đối của photon trong chân không không thể thay đổi. Thực tế, các hạt boson di chuyển với tốc độ ánh sáng.

Chậm hơn tốc độ ánh sáng

Tập hợp các hạt không phải là boson di chuyển chậm hơn tốc độ ánh sáng. Thuyết tương đối cho chúng ta biết rằng về mặt vật lý không thể tăng tốc các hạt này đủ nhanh để đạt được tốc độ ánh sáng. Tại sao lại thế này? Hãy xem xét một số khái niệm toán học sau nhé.

Vì các vật thể này có khối lượng, nên thuyết tương đối cho chúng ta biết rằng phương trình động năng của vật thể, dựa trên vận tốc của nó, được xác định bởi phương trình: Ek = m0 (γ – 1) c^2

Có rất nhiều điều xảy ra trong phương trình trên, vì vậy hãy xem xét các biến đó:

  • γ là Lorentz, là biến tỷ lệ xuất hiện nhiều lần trong Thuyết tương đối. Nó chỉ ra sự thay đổi về số lượng khác nhau, chẳng hạn như khối lượng, chiều dài và thời gian, khi các vật thể đang di chuyển. Vì = 1 / / căn bậc hai của (1 – v2 / c2), đây là nguyên nhân gây ra giao diện khác nhau của hai phương trình được hiển thị.
  • m0 là khối lượng nghỉ của vật thể, thu được khi nó có vận tốc 0 trong một khung tham chiếu cho trước.
  • c là tốc độ ánh sáng trong chân không.
  • v là vận tốc mà vật đang chuyển động. Các hiệu ứng tương đối tính chỉ có ý nghĩa đáng chú ý đối với các giá trị rất cao của v, đó là lý do tại sao các hiệu ứng này có thể bị bỏ qua trong thời gian dài trước khi Einstein xuất hiện.

Lưu ý mẫu số chứa biến v (cho vận tốc). Khi vận tốc càng ngày càng gần với tốc độ ánh sáng (c), thì v2 / c2 đó sẽ càng ngày càng gần 1 … có nghĩa là giá trị của mẫu số (“căn bậc hai của 1 – v2 / c2 “) sẽ ngày càng gần hơn với 0.

Khi mẫu số càng nhỏ, năng lượng càng ngày càng lớn, tiến gần đến vô cùng. Do đó, khi bạn cố gắng tăng tốc một hạt gần bằng tốc độ ánh sáng, sẽ cần nhiều năng lượng hơn để làm điều đó. Thực tế việc tăng tốc đến tốc độ ánh sáng sẽ cần một lượng năng lượng vô hạn, điều này là không thể. Vì lý do này, không có hạt nào chuyển động chậm hơn tốc độ ánh sáng có thể đạt tới tốc độ ánh sáng (hoặc, bằng cách mở rộng, đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng).

Nhanh hơn tốc độ ánh sáng

Vậy nếu chúng ta có một hạt chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng thì sao? Điều đó thậm chí có thể? Nói đúng ra là có thể. Các hạt như vậy, được gọi là tachyons, đã xuất hiện trong một số mô hình lý thuyết, nhưng chúng hầu như luôn luôn bị loại bỏ vì chúng thể hiện sự mất ổn định cơ bản trong mô hình. Cho đến nay, chúng tôi không có bằng chứng thực nghiệm nào cho thấy tachyons tồn tại.

Nếu một tachyon tồn tại, nó sẽ luôn di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Sử dụng lý do tương tự như trong trường hợp các hạt chậm hơn ánh sáng, bạn có thể chứng minh rằng sẽ cần một lượng năng lượng vô hạn để làm chậm tốc độ của tachyon xuống tốc độ ánh sáng.

Sự khác biệt là, trong trường hợp này, bạn kết thúc với thuật ngữ v lớn hơn một chút, điều đó có nghĩa là số trong căn bậc hai là số âm. Điều này dẫn đến một con số tưởng tượng và thậm chí còn không rõ ràng về mặt khái niệm việc có một năng lượng tưởng tượng thực sự có ý nghĩa gì.

Nhanh hơn ánh sáng chậm

Như đã đề cập trước đó, khi ánh sáng đi từ chân không vào vật liệu khác, nó sẽ chậm lại. Có thể là một hạt tích điện, chẳng hạn như electron, có thể đi vào vật liệu có lực đủ mạnh để di chuyển nhanh hơn ánh sáng trong vật liệu đó. Tốc độ ánh sáng trong một vật liệu nhất định được gọi là tốc độ pha của ánh sáng trong môi trường đó.)Trong trường hợp này, hạt tích điện phát ra một dạng bức xạ điện từ được gọi là bức xạ Cherenkov.

Hiệu ứng Casimir là gì? - Hiệu ứng Casimir là kết quả của vật lý lượng tử dường như thách thức logic của thế giới hàng ngày. Trong trường hợp này, nó dẫn đến một năng lượng chân không từ "không gian trống" thực sự tác dụng một lực lên các vật thể vật lý. Mặc dù điều này có vẻ… Đọc thêm
Chủ đề trong bài
Back to top button
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker