Рівномірний прямолінійний рух: рівняння і графіки
~20 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань
Записуєш рівняння координати x = x₀ + vₓt для рівномірного прямолінійного руху, читаєш графіки x(t) і vₓ(t) та знаходиш за ними час і місце зустрічі двох тіл.
Рівномірний прямолінійний рух — це найпростіший вид механічного руху, за якого тіло за будь-які рівні проміжки часу здійснює однакові переміщення. Іншими словами, швидкість тіла лишається сталою як за модулем, так і за напрямом. Такий рух описується векторним рівнянням , де — переміщення, здійснене за час .
Для опису руху вздовж прямої обирають одну координатну вісь, наприклад . Тоді проєкція швидкості — це число зі знаком:
, якщо тіло рухається в додатному напрямку осі ;
, якщо тіло рухається проти осі .
Модуль швидкості (тобто її абсолютне значення) дорівнює . Саме модуль визначає, як швидко тіло долає відстань, а знак — у який бік воно рухається.
Рівняння координати
Координата тіла в будь-який момент часу визначається за формулою:
де — початкова координата (у момент ), — проєкція швидкості. Це рівняння називають рівнянням руху або рівнянням координати. З нього можна знайти положення тіла в будь-який момент, а також визначити, коли тіло опиниться в заданій точці.
Проєкція переміщення за час дорівнює , а шлях (довжина траєкторії) обчислюється як .
Як «читати» рівняння руху
Розгляньмо рівняння (усі величини в одиницях СІ: метри й секунди). Порівняймо із загальним виглядом :
м — початкова координата;
м/с — проєкція швидкості від'ємна, отже, тіло рухається проти осі ;
модуль швидкості м/с.
Це означає, що тіло почало рух з точки 20 м і щосекунди зміщується на 4 м у бік зменшення координати. У момент с маємо — тіло проходить через початок координат.
Перетворення одиниць швидкості
Основна одиниця швидкості в СІ — метр за секунду (м/с). На практиці швидкість часто подають у км/год. Запам'ятай просте співвідношення:
Зручніше запам'ятати навпаки: 1 м/с = 3,6 км/год. Тоді, щоб перевести км/год у м/с, треба поділити на 3,6:
72 км/год м/с;
36 км/год м/с;
54 км/год м/с.
У задачах НМТ завжди звертай увагу на одиниці: якщо швидкість дано в км/год, а час у секундах, спочатку переведи швидкість у м/с.
Графіки дають змогу побачити рух тіла «на око» й визначити його параметри без обчислень за формулами. Для рівномірного прямолінійного руху існує два основні графіки: залежність координати від часу і залежність проєкції швидкості від часу .
Графік координати x(t)
Оскільки , графік — це пряма лінія. Її вигляд дає всю інформацію про рух:
Перетин прямої з віссю (вертикальною) дає початкову координату .
Нахил прямої дорівнює проєкції швидкості: . Що крутіша пряма, то більший модуль швидкості.
Пряма зростає (йде вгору) — , тіло рухається в додатному напрямку осі.
Пряма спадає (йде вниз) — , тіло рухається проти осі.
Горизонтальна пряма — , тіло стоїть на місці.
Два паралельні графіки означають, що тіла мають однакову швидкість (однаковий нахил), але різні початкові координати.
Графік проєкції швидкості vₓ(t)
Для рівномірного руху не змінюється з часом, тому графік — горизонтальна пряма, паралельна осі часу:
Якщо , пряма лежить над віссю .
Якщо , пряма лежить під віссю .
Якщо , пряма збігається з віссю .
Площа прямокутника під графіком (між графіком і віссю часу) дорівнює проєкції переміщення за цей проміжок часу: . Якщо графік лежить під віссю, площу беруть зі знаком «мінус» — переміщення від'ємне.
Графік шляху l(t)
Важливо не плутати графік координати із графіком шляху . Шлях — це довжина траєкторії, він завжди додатний і не може зменшуватися. Тому графік ніколи не спадає: він або зростає (тіло рухається), або горизонтальний (тіло стоїть). Натомість графік може спадати, якщо тіло рухається проти осі, і навіть перетинати вісь часу, стаючи від'ємним.
Перехід між графіками
На НМТ можуть попросити за графіком визначити і вибрати відповідний графік , або навпаки. Ось як це робити:
Від до : обчисли нахил кожної прямолінійної ділянки . Якщо графік складається з кількох ділянок, для кожної — своя .
Від до : знайди з умови, потім проведи пряму з нахилом . Якщо змінюється, кожна ділянка матиме свій нахил.
Типове завдання кінематики — визначити, коли й де зустрінуться два тіла, що рухаються прямолінійно й рівномірно.
Умова зустрічі
Якщо два тіла рухаються вздовж однієї осі , то в момент зустрічі їхні координати збігаються. Отже, умова зустрічі:
Підставляємо рівняння руху обох тіл, розв'язуємо отримане рівняння відносно — знаходимо час зустрічі. Потім підставляємо цей час у будь-яке з рівнянь і знаходимо координату зустрічі.
Приклад розрахунку
Нехай два тіла рухаються назустріч одне одному вздовж осі . Їхні рівняння руху (в метрах і секундах):
Перше тіло стартує з початку координат () і рухається в додатному напрямку зі швидкістю 10 м/с. Друге тіло стартує з точки 300 м і рухається проти осі зі швидкістю 20 м/с (проєкція м/с).
Прирівнюємо координати:
Підставляємо с у перше рівняння: м. Отже, тіла зустрінуться через 10 с на відстані 100 м від початку координат.
Зустріч на графіках x(t)
На графіку зустріч двох тіл — це точка перетину двох прямих. Абсциса цієї точки дає час зустрічі, а ордината — координату зустрічі. Якщо прямі паралельні (однаковий нахил), тіла ніколи не зустрінуться — вони рухаються з однаковою швидкістю, і відстань між ними не змінюється.
Відстань між тілами в довільний момент дорівнює .
Пізніший старт другого тіла
Якщо друге тіло вирушає на пізніше за перше, його рівняння руху набуває вигляду:
Час в обох рівняннях відлічують від одного й того самого моменту (наприклад, від моменту старту першого тіла). Для друге тіло ще не почало руху, тому його координата дорівнює .
Приклад 1. Читання рівняння руху
Рух тіла описує рівняння (м). Яке з тверджень правильне?
А) Тіло рухається в додатному напрямку осі зі швидкістю 3 м/с.
Б) Тіло рухається проти осі зі швидкістю 3 м/с, початкова координата 12 м.
В) Тіло рухається проти осі зі швидкістю 12 м/с.
Г) Тіло рухається рівноприскорено з прискоренням −3 м/с².
Розв'язання. Порівнюємо із загальним виглядом . Маємо м, м/с. Від'ємна проєкція означає рух проти осі . Модуль швидкості м/с. Отже, правильна відповідь — Б.
Чому інші варіанти неправильні? А — ігнорує знак «мінус» перед . В — плутає початкову координату (12 м) зі швидкістю. Г — помилково вважає рух рівноприскореним, хоча рівняння має вигляд , а не .
Приклад 2. Зустріч за рівняннями
Велосипедист і пішохід рухаються назустріч один одному вздовж прямої дороги. Їхні рівняння руху: , (м, с). Знайди час зустрічі в секундах.
Розв'язання. Умова зустрічі: . Отже:
Відповідь: 90 с. Координата зустрічі: м.
Перевірка за другим рівнянням: м — збігається.
Приклад 3. Проєкція швидкості за графіком x(t)
Графік рівномірно спадає від 30 м до 0 за 6 с. Чому дорівнює проєкція швидкості ?
А) 5 м/с
Б) −5 м/с
В) −0,2 м/с
Г) 30 м/с
Розв'язання. Нахил графіка дорівнює . Зміна координати м, час с. Отже:
Правильна відповідь — Б.
Чому інші варіанти неправильні? А — забуто знак «мінус» (графік спадає, отже ). В — обчислено замість (переплутано приріст часу з приростом координати). Г — взято початкову координату 30 м замість нахилу.
Приклад 4. Зустріч за графіками x(t)
Графіки двох тіл — прямі. Перше тіло рушає з зі швидкістю 4 м/с, друге — з м зі швидкістю 1 м/с у тому самому напрямку. Знайди координату зустрічі в метрах.
Розв'язання. Записуємо рівняння руху:
Прирівнюємо: , звідки , с.
Координата зустрічі: м (або м).
Відповідь: 80 м.
Розгляньмо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час розв'язування задач на рівномірний прямолінійний рух.
Ігнорувати знак проєкції швидкості. Коли тіло рухається проти осі , проєкція від'ємна. Помилково записують замість (або з від'ємним ). Завжди звертай увагу на напрям руху відносно обраної осі.
Плутати координату зі шляхом. Координата може зменшуватися й бути від'ємною, якщо тіло рухається проти осі або перетнуло початок відліку. Шлях — це завжди додатна величина, яка не спадає. Графік може йти вниз, графік — ні.
Брати за швидкість значення у точці графіка . Швидкість — це нахил прямої , а не координата в окремій точці. Якщо графік проходить через точку , це не означає, що швидкість дорівнює 10 м/с або 5 м/с.
Підставляти швидкість у км/год, а час — у секундах. Усі величини в рівнянні мають бути в узгоджених одиницях СІ: метри й секунди. Якщо швидкість дано в км/год, спочатку переведи її в м/с (поділи на 3,6).
Шукати момент зустрічі за графіками . Зустріч двох тіл показує лише перетин графіків . Графіки для рівномірного руху — горизонтальні прямі; їхній перетин нічого не означає. Якщо , тіла рухаються з однаковою швидкістю, але можуть ніколи не зустрітися.
Не врахувати пізніший старт другого тіла. Якщо друге тіло вирушає на пізніше, його рівняння має вигляд для . Час в обох рівняннях відлічують від одного моменту. Не можна просто записати — це означало б, що обидва тіла стартували одночасно.
Формули координати й переміщення рівномірного прямолінійного руху є в довідкових матеріалах, які надають на НМТ-2026. Однак знак проєкції швидкості визначаєш ти сам, аналізуючи напрям руху тіла відносно обраної осі.
Програма НМТ з фізики (тема 1.1 «Основи кінематики») вимагає вміти аналізувати графіки руху, визначати за ними параметри руху (початкову координату, швидкість, напрям) і будувати графік однієї величини за графіком іншої (наприклад, за побудувати ).
Формати завдань
Тип завдання | Номери в тесті | Бали | Що перевіряють |
|---|---|---|---|
Вибір однієї відповіді (single-choice) | № 1–14 | 1 бал | Читання графіків і , визначення параметрів руху за рівнянням |
Коротка відповідь (numeric) | № 17–22 | 0 або 2 бали | Обчислення часу й координати зустрічі, переміщення за графіком |
Стратегія розв'язування
Для задач на зустріч двох тіл дотримуйся такого алгоритму:
Визнач систему відліку: обери вісь , її додатний напрям і початок відліку (точку ).
Запиши рівняння руху для кожного тіла у вигляді , узгодивши знак з напрямом руху.
Якщо тіла стартують не одночасно, скористайся формулою для тіла, що вирушило пізніше.
Прирівняй координати: .
Розв'яжи отримане рівняння — знайдеш час зустрічі.
Підстав знайдений час у будь-яке з рівнянь — отримаєш координату зустрічі.
Важливо: час в обох рівняннях має відлічуватися від одного й того самого моменту. Найчастіше зручно взяти як момент старту першого тіла.
Чому проєкція швидкості може бути від'ємною?
Проєкція швидкості — це скалярна величина, яка дорівнює добутку модуля швидкості на косинус кута між напрямом швидкості й додатним напрямом осі. Якщо тіло рухається проти осі , кут між вектором і віссю становить 180°, а . Тому . Від'ємний знак просто показує, що напрям руху протилежний до обраного додатного напряму осі.
Як за графіком x(t) зрозуміти, яке з двох тіл рухається швидше?
Швидкість визначається нахилом прямої . Що крутіша пряма (тобто більший кут між нею й віссю часу), то більший модуль швидкості. Отже, на одному рисунку швидше те тіло, чий графік має більший нахил. Якщо обидва графіки — прямі з однаковим нахилом (паралельні), то швидкості тіл рівні за модулем.
Що означає горизонтальна ділянка графіка x(t)?
Горизонтальна ділянка графіка означає, що координата тіла не змінюється з часом. Це можливо лише тоді, коли тіло не рухається, тобто стоїть на місці. У цей проміжок часу , швидкість дорівнює нулю, переміщення не відбувається.
Що робити, якщо друге тіло вирушило пізніше за перше?
У такому разі для другого тіла використовують рівняння , де — затримка в секундах. Час в обох рівняннях відлічують від одного моменту (найчастіше — від моменту старту першого тіла). Для друге тіло ще не почало руху, тому його координата дорівнює . Під час прирівнювання координат слід узяти .
Чим графік координати відрізняється від графіка шляху?
Графік координати може зростати, спадати й перетинати вісь часу — координата буває додатною, від'ємною або нульовою. Графік шляху ніколи не спадає, бо шлях — це довжина траєкторії, яка завжди додатна або нульова й може лише збільшуватися. Якщо тіло рухається в додатному напрямку осі без повернення і , графіки і збігаються. Але якщо тіло змінює напрям, може спадати, а — ні.
Рівномірний прямолінійний рух: , рівняння координати .
Знак показує напрям руху відносно осі: — за віссю, — проти осі.
Графік — пряма, її нахил дорівнює ; графік — горизонтальна пряма.
Площа прямокутника під графіком дорівнює проєкції переміщення .
Умова зустрічі двох тіл: ; на графіку — точка перетину прямих.
Якщо друге тіло стартує на пізніше, його рівняння: для .
Не плутай графік координати (може спадати) із графіком шляху (ніколи не спадає).