Гонщик прошел всю дистанцию на скорости 160 км/ч, не сбавляя и не увеличивая скорость на поворотах. На финише он заявил: «Я двигался с постоянной скоростью от старта до финиша, поэтому и победил!». На что тренер ему спокойно заметил: «Ты физически не мог пройти всю дистанцию с постоянной скоростью».
– Если не считать те 6 секунд после старта, когда я разгонял свой автомобиль, то остальной путь я преодолел на постоянной скорости. Спидометр не врет!
- Я согласен с тобой, что спидометр показывал одинаковую скорость, но ты не мог всю дистанцию пройти на постоянной скорости. Это, повторяю, физически невозможно! Учи физику, балбес, сказал тренер.
– Ладно, пойду разберусь в чем подвох.
Ускорение
Физическое тело, согласно первому закону Ньютона, движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют никакие силы, или действие этих сил уравновешено. На прямолинейном участке трассы на автомобиль действуют силы:
· сила трения колес;
· сила сопротивления воздуха;
· сила тяжести;
· сила реакции опоры (дороги).
Если эти силы компенсируют друг друга – автомобиль движется прямолинейно и равномерно, то есть с постоянной скоростью. В данном примере силу тяжести компенсирует реакция опоры. Можно подобрать такую силу тяги, которая скомпенсирует сопротивление воздуха и трение колес. Регулируя педалью газа силу тяги можно заставить автомобиль двигаться с постоянной скоростью на прямолинейном участке.
Сила трения на старте направлена в сторону движения транспортного средства, и она значительно превышает сопротивление воздуха. Под действием этой силы автомобиль набирает скорость. Если величину этой силы поддерживать постоянной, то в определенный момент она уравновесит силу сопротивления воздуха и разгон прекратится. Авто перейдет в режим равномерного движения.
От старта до момента достижения нужной скорости гонщик двигался с ускорением. Другими словами, в каждый последующий момент времени его скорость увеличивалась. Если пренебречь сопротивлением воздуха, то можно утверждать что изменение скорости было равномерным. Такое движение называется равноускоренным.
Ускорение – это изменение скорости за единицу времени. Ускорение, как и скорость, величина направленная. При прямолинейном движении направления ускорения и скорости совпадают при разгоне авто и противоположны при торможении. В последнем случае говорят об отрицательном ускорении.
Зная начальную скорость тела (v0) и ускорение (а) в случае равноускоренного движения легко найти скорость (v) в любой момент времени: v = v0 + at. Зная скорость тела можно найти его перемещение за время t: S = v0t + at^2/2.
Если автомобиль трогает с места, то за время t он преодолеет расстояние S = at^2/2.
Рассмотрим теперь движение тела по окружности. Вектор (направление) скорости в любой точке окружности направлен по касательной (перпендикулярен радиусу). С течением времени вектор скорости меняет свое направление, а значит, скорость постоянно изменяется. То есть, движение по кругу всегда ускоренное. Ускорение направлено к центру круга. Этого ускорения придает телу центробежная сила.
В примере с автомобилем к центру поворота движет его сила трения передних колес.
Автомобиль на повороте движется с ускорением, даже если на спидометре скорость не меняется.
Именно это имел в виду тренер, когда настаивал на том, что гонщик не мог на трассе двигаться с постоянной скоростью. На поворотах менялось направление скорости, а значит, движение на этих участках было ускоренным.