等加速度運動@(定義とv-tグラフの面積)

1.導入

物理は戦争とともに発展してきた経緯もあります。 ミサイルを発射して、どのくらいの速さで、どのくらいの時間で、 どの位置にミサイルが落ちるか予測しなければなりません。 それがこの章の目的です(戦争が目的ではありませんよ)。

内容に入る前に、36[km/h]は何[m/s]でしょうか?
1km=1000m、1h=60×60sをそのまま[km/h]に代入すれば、
36[km/h]=10[m/s]と求まります。
ここで、強調したかったのは「単位も一緒に計算すれば、答えの単位が出せる」ということ。
そうすれば公式に間違えて代入することもなくなりますし、 自分の計算のチェックになります(これは重要です!)。

では、変位・速度・加速度などを定義していきましょう。

2.位置・変位・移動距離

変位とは位置の変化、移動距離は変位の絶対値というように定義します。 ここで、変位と移動距離の大きな違いは、ベクトル量とスカラー量ということ。向きがあるかないか。
※ただし、右に進んでから左に戻ってくるような状況を考えると、 変位は最後の位置とはじめの位置の差になるが、移動距離は動いた距離全部になるので、 単純な絶対値と考えることは間違いです。ここでは、向きがあるかないか強調するために上のように定義しました。

3.速度と速さ

日常生活で速度と速さは区別して使っていませんが、 物理では区別して使います(いちいちいやらしいですが)。
速度はvelocityですので、頭文字のvを使って表します。

ここでx-tグラフとは、縦軸に物体の位置を、横軸に時間を表したグラフです。 そして、x-tグラフの傾きは速度になります(1秒間にどれだけ移動するかが速度だから)。 「傾き」を求めることは、数学的には「微分」することになりますので、 速度は位置を時間で微分したものになります。
※いきなり微分とか出てきて嫌かもしれません。あまり気にしないでほしいのですが、 微分の知識があると公式を思い出しやすくなるだけです。 物理学者であるニュートンは力学を構築するために、 ライプニッツと同時期に微分積分をつくったわけで、 物理には微分積分は不可欠ですが、私自身は「微積を使うとよりわかりやすくなる」という状況以外で、 微積を多用するのは好きではありません。 ですので、教師や一度学習が終わっている生徒向けに微積での説明もしますが、 はじめて物理を学習する人はあまり気にしないでください。

4.等速直線運動

先程、x-tグラフの傾きは速度になると言いました。 ですので、速度が一定の運動ではx-tグラフは一次関数になります。
例えば,速さが10[m/s]であったなら,1[s]で10[m],2[s]で20[m]・・・となります。 そして,それを式で表すと,x=10t になります。速さがvであれば,x=vt になります。

このような運動を等速直線運動といい、運動方向の力がつりあっていれば、 その方向には等速直線運動します。 ちなみに、「速度が一定」=「速さと向きが一定」ですので、等速直線運動=等速度運動です。 等速運動であると、「速さは一定」ですが、「向きは一定」と限りません。 例えば、等速円運動は等速運動ですが、等速度運動ではありません (なので等速円運動するには力が要る!)。

ここで、重要なことは、v-tグラフの面積=変位 になっているということです。

次回はこの章のポイントの加速度です。

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