1 Σκοπός ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΚΕ Φ ΑΛ ΑΙ Ο 2 : Περ ιγ ραφ ή της κ ίν ησ ης Να αποκτήσουν οι μαθητές τη δυνατότητα να απαντούν σε ερωτήματα που εμφανίζονται στην καθημερινή μας ζωή και έχουν σχέση με την ταχύτητα, την επιτάχυνση, τη θέση ή το χρόνο κίνησης ενός κινητού. Λέξεις κλειδιά Θέση, χρονική στιγμή χρονική διάρκεια,τροχιά,μετατόπιση,διάστημα,ταχύτητα, ομαλή κίνηση,,μεταβαλλόμενη,επιτάχυνση. Προσδοκώμενο Αποτέλεσμα Ο μαθητής να μπορεί: 1. Να προσδιορίζει τη θέση ενός σώματος και τη χρονική στιγμή ενός συμβάντος και να αναφέρει σχετικά παραδείγματα από την καθημερινή ζωή. 2.Από έναν πίνακα πειραματικών τιμών (x-t) ομαλής κίνησης να σχεδιάζει το διάγραμμα (x-t) και να υπολογίζει την ταχύτητα. 3. Να αποδίδει γραφικά τα μεγέθη θέση, ταχύτητα και επιτάχυνση στην ομοιόμορφα μεταβαλλόμενη κίνηση. 4. Να εφαρμόζει τους νόμους της κίνησης σε φαινόμενα καθημερινής ζωής (π.χ. οδική κυκλοφορία). 5. Να χρησιμοποιεί με ευχέρεια τις μονάδες. 1
2 2.1 Περιγραφή της κίνησης Η μηχανική είναι η μελέτη της κίνησης των αντικειμένων. Όταν περιγράφουμε την κίνηση ασχολούμαστε με το κομμάτι της μηχανικής που λέγεται κινηματική. Η κίνηση αποτελεί μια χαρακτηριστική ιδιότητα της ύλης, περιγράφει τη συνεχή αλλαγή της θέσης ενός σώματος και αφορά είτε το μικρόκοσμο είτε στον μακρόκοσμο. Δείτε στην http://htwins.net/scale2/ Α ) Σ ύ σ τ η μ α α ν α φ ο ρ ά ς Η κίνηση είναι έννοια σχετική. Εξαρτάται από τον παρατηρητή που την περιγράφει. Δύο παρατηρητές, κινούμενοι ο ένας σε σχέση με τον άλλο, περιγράφουν με διαφορετικό τρόπο την ίδια κίνηση. Π.χ Το λαμπάκι του ποδηλάτου: Ένα πορτοκαλί λαμπάκι είναι στερεωμένο στη ζάντα του ποδήλατου. Τι αντιλαμβάνεται ο ποδηλάτης ; Για τον ποδηλάτη η τροχιά της λάμπας είναι κυκλική και το φανάρι του ποδήλατου το βλέπει να βρίσκεται σε σταθερή απόσταση και εκτιμά ότι είναι ακίνητο. 2
3 Τι αντιλαμβάνεται ο παρατηρητής στο έδαφος ; Για τον παρατηρητή η τροχιά της λάμπας είναι κυκλοειδής και του φαναριού εμφανίζει τροχιά ευθύγραμμη. Για την περιγραφή μιας κίνησης είναι αναγκαία η εισαγωγή ενός «συστήματος παρακολούθησης», το οποίο ονομάζεται σύστημα αναφοράς. Παραπέμπει σε συγκεκριμένο παρατηρητή με ανθρώπινη συνείδηση ο οποίος παρακολουθεί, περιγράφει, ερμηνεύει και προβλέπει. Ουσιαστικά, με το σύστημα αναφοράς γίνεται ο προσδιορισμός της θέσης (Μ(Χ)) ενός σώματος στο χώρο. 3
4 Π.χ. στον παραπάνω άξονα, το σώμα στο σημείο Μ(Χ) έχει συντεταγμένη χ = +5. Η θέση του σώματος στο επίπεδο, προσδιορίζεται από δύο συντεταγμένες (x,y), την τετμημένη (x) που είναι η προβολή του σημείου που βρίσκεται το σώμα πάνω στον άξονα x'x και την τεταγμένη (y) που είναι η προβολή του σημείου που βρίσκεται το σώμα πάνω στον άξονα y'y. Π.χ., στο παραπάνω σύστημα αξόνων, η μπάλα έχει τετμημένη x = +2000 και τεταγμένη y = +1000, δηλαδή η θέση της προσδιορίζεται από το σημείο (2000, 1000). Αντίστοιχα, ο παίκτης έχει τετμημένη x = 0 και τεταγμένη y = 0, δηλαδή η θέση του προσδιορίζεται από το σημείο (0, 0). Έστω Ο ένα σταθερό σημείο του χώρου ( σημείο αναφοράς). Για κάθε σημείο Σ του χώρου ορίζεται το διάνυσμα ΟΣ, που λέγεται διάνυσμα θέσης ή διανυσματική ακτίνα. 4
5 Χ ρ ό ν ο ς ( t ) : χρονική στιγμή (t) και χρονικό διάστημα (Δt) Η χρονική στιγμή δεν έχει διάρκεια και απαντά στο «ΠΟΤΕ;» (Ενώ το χρονικό διάστημα απαντά στο ερώτημα : «ΠΟΣΟ ΔΙΑΡΚΕΙ ;» ).Τη χρονική στιγμή δεν τη μετράμε, αλλά μπορούμε να την προσδιορίζουμε. Θεωρούμε μια ορισμένη χρονική στιγμή, ας πούμε την «μεσάνυχτα», ως Αρχή των χρόνων. Έπειτα μετράμε το χρονικό διάστημα από τα μεσάνυχτα μέχρι τώρα. Αν τη χρονική αυτή διάρκεια τη βρούμε 6 ώρες, είκοσι λεπτά και 5 δευτερόλεπτα ώρες λέμε ότι τώρα είναι «6 h 20 min 5 s ή 6.20.05» Ο παρατηρητής που περιγράφει μια κίνηση μπορεί να διαλέγει όποια στιγμή θέλει ως Αρχή των χρόνων. Το χρονικό διάστημα προσδιορίζει τη χρονική διάρκεια ενός γεγονότος, δηλαδή αποτελείται από ένα πλήθος χρονικών στιγμών. Π.χ. Μια εκπομπή αρχίζει στις 6.30 και τελειώνει στις 8.00. Οι δύο προηγούμενες χρονικές ενδείξεις αποτελούν χρονικές στιγμές, ενώ χρονικό διάστημα είναι η μιάμιση ώρα (1,30') που μεσολάβησε για να πάει από το σπίτι του στη δουλειά του. Απόσταση - Δ ι ά σ τ η μ α ( S ) - Μ ε τ α τ ό π ι σ η ( Δ χ ) Διάστημα (s) ονομάζουμε την απόσταση του κινητού από ένα σταθερό σημείο της τροχιάς του(αρχή των διαστημάτων) η οποία μετρείται πάντοτε κατά μήκος της τροχιάς του. Το διάστημα S εκφράζει την συνολική απόσταση που διανύει ένα σώμα και έχει πάντα θετική τιμή. Απόσταση (x) ονομάζουμε την ευθεία που ενώνει την αρχική και την τελική θέση της τροχιάς το κινητού και είναι πάντα θετική (μονόμετρο μέγεθος). Η απόσταση απαντά στο «πόσο απέχουν δύο σημεία ;» και τη μετράμε με μια μετροταινία. Ενώ η θέση απαντά στο «που βρίσκεται ένα σημείο;» και την προσδιορίζουμε, σε σχέση με μία αρχή, αφού μετρήσουμε την απόσταση από την αρχή. Καθώς κινείται ένα σώμα διέρχεται από ένα πλήθος σημείων, τα οποία αν ενωθούν σχηματίζουν την τροχιά. 5
6 τροχιά Η τροχιά του κινητού ανάλογα με την μορφή της διακρίνεται σε α) Ευθύγραμμη και β) Καμπυλόγραμμη. Ειδική μορφή της καμπυλόγραμμης κίνησης είναι η κυκλική κίνηση. Μετατόπιση (διανυσματικό) Δχ: είναι το διάνυσμα που έχει ως αρχή την αρχική θέση του σώματος και ως πέρας την τελική του θέση, δηλαδή εκφράζει τη μεταβολή της θέσης του σώματος και ορίζεται ως Δχ = χ τελ χ αρχ. 6
7 Π.χ. στο παραπάνω σχήμα α) το μέτρο της μετατόπισης θα είναι ΔΧ = 2 (-2) = 4 = 4 β) διεύθυνση, τη διεύθυνση του άξονα της κίνησης. γ) φορά, την φορά της κίνησης του σώματος. Το μέτρο της μετατόπισης Δχ, εκφράζει ουσιαστικά την απόσταση μεταξύ αρχικής και τελικής θέσης του σώματος. Η αλγεβρική τιμή μετατόπισης Δχ: είναι η διαφορά μεταξύ των συντεταγμένων αρχικής και τελικής θέσης του σώματος, Δχ = χ τελ - χ αρχ και δεν έχει σταθερό πρόσημο. Διακρίνουμε τις εξής περιπτώσεις: θετική αλγεβρική τιμή μετατόπισης (Δχ > 0), δηλαδή χ τελ > χ αρχ, που σημαίνει ότι το σώμα κινείται: α) προς τις θετικές τιμές του άξονα, όταν η κίνηση γίνεται πάνω σε άξονα. β) προς την φορά που εμείς έχουμε επιλέξει ως θετική φορά κίνησης, όταν η κίνηση δε γίνεται πάνω σε άξονα. αρνητική αλγεβρική τιμή μετατόπισης (Δχ < 0) δηλαδή χ τελ < χ αρχ, που σημαίνει ότι το σώμα κινείται: α) προς τις αρνητικές τιμές του άξονα, όταν η κίνηση γίνεται πάνω σε άξονα. β) προς την αντίθετη φορά από αυτήν που έχουμε επιλέξει ως θετική φορά κίνησης, όταν η κίνηση δε γίνεται πάνω σε άξονα. η μετατόπιση Δχ εξαρτάται μόνο από την αρχική και την τελική θέση του σώματος. Η μετατόπιση και διάστημα έχουν την ίδια μονάδα μέτρησης που στο S.I είναι το 1m (μέτρο). Η τιμή του διαστήματος S και της μετατόπισης Δχ συμπίπτουν, όταν έχουμε ευθύγραμμη κίνηση σταθερής (θετικής) φοράς. 7
8 Διαφορές διαστήματος (S) - μετατόπισης (Δχ) Διάστημα (S) Μετατόπιση (Δχ) μονόμετρο διανυσματικό έχει πάντα θετική τιμή μπορεί να έχει θετική ή αρνητική τιμή εξαρτάται από τη είναι ανεξάρτητη από τη διαδρομή που ακολουθεί το σώμα διαδρομή που ακολουθεί το σώμα και εξαρτάται μόνο από την αρχική και την τελική του θέση Ταύτιση του μέτρου της μετατόπισης με το διάστημα Ας ελέγξουμε τί γίνεται σε μία καμπυλόγραμμη κίνηση στο παρακάτω διάγραμμα: Όπως εύκολα μπορούμε να διαπιστώσουμε, το κινητό μας πηγαίνοντας από το σημείο Α στο σημείο Β μέσω της καμπύλης του σχήματος, έχει διανύσει ένα διάστημα που είναι μεγαλύτερο από τη μετατόπισή του, της οποίας το μέτρο είναι ίσο με την απόσταση των σημείων Α και Β. Αυτό συμβαίνει σε όλες τις καμπυλόγραμμες κινήσεις επειδή πάντα ο πιο κοντινός δρόμος από ένα σημείο σε ένα άλλο είναι η ευθεία που ενώνει τα δυο σημεία. Διαπιστώνουμε πως για να έχουμε ταύτιση του διαστήματος με το μέτρο της μετατόπισης θα πρέπει να κινούμαστε σε ευθύγραμμη τροχιά. Είναι όμως αρκετό αυτό; Στο παρακάτω σχήμα μπορούμε να φανταστούμε ένα κινητό που κινείται ευθύγραμμα από το σημείο Α στο Γ και μετά επιστρέφει στο σημείο Β: 8
9 Παρατηρούμε ότι το διάστημα είναι τα μήκη (AΓ) + (ΓB) ενώ το μέτρο της μετατόπισης είναι μόνο το (AB). Καταλήγουμε λοιπόν οτι το σώμα δεν πρέπει να αλλάζει φορά. Δηλαδή: Το μέτρο της μετατόπισης ισούται με το διάστημα S μόνο στην περίπτωση που έχουμε ευθύγραμμη κίνηση σταθερής φοράς. Σε περίπτωση όπως παραπάνω που η ευθύγραμμη κίνηση αλλάζει φορά, μπορούμε να την χωρίσουμε σε περισσότερες κινήσεις σταθερής φοράς και να εφαρμόσουμε τον παραπάνω κανόνα σε κάθε μία από αυτές τις κινήσεις. H η συνολική μετατόπιση θα είναι το αλγεβρικό άθροισμα των μετατοπίσεων ενώ το συνολικό διάστημα θα είναι το άθροισμα των διαστημάτων. 9