background image

28 

 

 

Kinematyka 

Adam Buczek  FIZYKA bez RYZYKA  

Politechnika Poznańska Wydział Fizyki Technicznej 

 

Działania na wartościach składowych położeń, prędkości i przyspieszeń 

Dotychczas dużo uwagi poświęciliśmy wektorowym aspektom parametrów kinematycznych. Każdy 
z wektorów ma określoną długość – czyli wartość. Również składowe wektorów (rzuty na osie) 
mają swoje wartości. Operacje na wartościach wektorów pozwalają na stosowanie wszystkich 
działań matematycznych jakie umożliwia algebra. Dlatego bardzo ważne jest, abyśmy umieli obraz 
wektorowy „sprowadzić” do obrazu skalarnego. Oczywiście można operować na wartościach 
samych wektorów bez potrzeby rozpatrywania ich rzutów. Pomaga w tym geometria. Jednak zdarza 
się, że wzdłuż różnych osi ciało realizuje inne typy ruchów. Wówczas rozdzielenie wektorów na 
składowe pozwala opisywać każdy typ ruchu z osobna. 

Przypomnijmy najpierw wzór określający rozkład wektora wodzącego na składowe, zapisany 
również z pomocą wektorów jednostkowych 

  ,   : 

       

 

    

 

        

 

        

 

 

Obliczmy pierwszą pochodną powyższych wektorów po czasie (zakładając, że wektory 
jednostkowe 

  ,    nie zmieniają się w czasie – czyli układ odniesienia się nie porusza): 

  

     

  

 

   

 

  

 

   

 

  

      

  

 

  

      

  

 

  

 

Jak wiemy pierwsza pochodna wektora wodzącego jest prędkością. Ją także rozkładaliśmy na 
składowe zgodnie z poniższym wzorem: 

  

     

  

           

 

     

 

        

 

        

 

 

Mamy sytuację najbardziej ogólną dlatego nie wpisuję żadnego znaku minus przed wartościami 
(związanego z przeciwnym zwrotem którejś składowej wektora w stosunku do odpowiadającej jej 
osi). W szczególnych sytuacjach należy o takich znakach pamiętać. 

Porównując dwa powyższe równania (odpowiednie wyrazy przy wektorach jednostkowych 

  ,    ) 

widzimy że: 

 

 

 

 

 

  

 

  

 

 

 

 

  

 

  

 

 

 

Otrzymaliśmy zależności pomiędzy wartościami składowych wektora wodzącego i wektora 
prędkości. Są to relacje w postaci skalarnej umożliwiające operacje algebraiczne na powyższych 

background image

29 

 

 

Kinematyka 

Adam Buczek  FIZYKA bez RYZYKA  

Politechnika Poznańska Wydział Fizyki Technicznej 

 

parametrach. Oczywiście można napisać analogiczne równanie dla składowych wzdłuż osi Z (w 
sytuacji ruchu trójwymiarowego). 

Możemy też obliczyć pierwszą pochodną wektora prędkości po czasie: 

  

      

  

 

    

 

  

 

    

 

  

      

  

 

  

      

  

 

  

 

Jak wiemy pierwsza pochodna prędkości to przyspieszenie. Je także rozkładaliśmy na składowe 
zgodnie z poniższym wzorem: 

  

      

  

         

 

    

 

        

 

        

 

 

Nadal mamy sytuację najbardziej ogólną dlatego nie wpisuję żadnego znaku minus przed 
wartościami (związanego z przeciwnym zwrotem którejś składowej wektora w stosunku do 
odpowiadającej jej osi). W szczególnych sytuacjach należy o takich znakach pamiętać. 

Porównując dwa powyższe równania (wyrazy przy wektorach jednostkowych 

  ,    ) widzimy że: 

 

 

 

 

 

  

 

  

 

 

 

 

  

 

  

 

 

 

Otrzymaliśmy zależności pomiędzy wartościami składowych wektora prędkości i wektora 
przyspieszenia. Są to relacje w postaci skalarnej umożliwiające operacje algebraiczne na 
powyższych parametrach. Oczywiście można napisać analogiczne równanie dla składowych wzdłuż 
osi Z (w sytuacji ruchu trójwymiarowego). 

 

Do czego mogą się przydać powyższe równania? Uwierz, że opisują one każdy rodzaj ruchu! 
Poniżej dwa przykłady 

Rozpatrzmy przykład ruchu ze stałą wartością prędkości wzdłuż osi X. Oznacza to, że wartość 

 

 

 jest stała. Mamy 

zatem RUCH JEDNOSTAJNY
Napiszmy jedno z wcześniejszych równań: 

 

 

 

  

 

  

 

Wykonajmy proste przekształcenie: 

  

 

   

 

     

background image

30 

 

 

Kinematyka 

Adam Buczek  FIZYKA bez RYZYKA  

Politechnika Poznańska Wydział Fizyki Technicznej 

 

Teraz przecałkujmy równanie obustronnie: 

 

    

 

 

  

 

  

     

 

    

 

 

 

Co daje: 

 

 

  

   

  

   

 

    

 
Po prostym przekształceniu: 

 

 

 

  

   

  

  

 

    

 

 

…otrzymujemy znany wzór na położenie (drogę) 

 

  

 w ruchu jednostajnym!  

Dodajmy, że 

 

  

 pełni tutaj rolę stałego położenia początkowego (w momencie gdy czas 

     ). 

Zauważ, że jeżeli zwrot wektora prędkości byłby przeciwnie skierowany do osi X, wówczas przed wartością składowej 
 

 

 postawimy minus: 

 

  

   

  

  

 

    

 
…co daje natychmiast wzór na położenie w sytuacji odwrotnego zwrotu prędkości. 

 

Teraz weźmy przykład ruchu ze stałą wartością przyspieszenia wzdłuż osi X. Oznacza to, że wartość 

 

 

 jest stała. 

Mamy zatem ruch JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONY
Napiszmy jedno z wcześniejszych równań: 

 

 

 

  

 

  

 

Wykonajmy proste przekształcenie: 

  

 

   

 

     

Teraz przecałkujmy równanie obustronnie: 

 

    

 

  

 

 

  

     

 

    

 

 

 

Co daje: 

 

 

  

   

  

   

 

    

 
Po prostym przekształceniu: 

 

 

 

  

   

  

   

 

    

 

 
…otrzymujemy znany wzór na prędkość 

 

  

 w ruchu jednostajnie przyspieszonym! 

background image

31 

 

 

Kinematyka 

Adam Buczek  FIZYKA bez RYZYKA  

Politechnika Poznańska Wydział Fizyki Technicznej 

 

Dodajmy, że 

 

  

 pełni tutaj rolę stałej prędkości początkowej (w momencie gdy czas 

     ). 

Zauważ, że jeżeli zwrot wektora przyspieszenia byłby przeciwnie skierowany do osi X, wówczas przed wartością 
składowej 

 

 

 postawimy minus: 

 

  

   

  

  

 

    

 
…co daje natychmiast wzór na prędkość w ruchu jednostajnie opóźnionym! 

 

Wiemy jednocześnie, że składowa prędkości jest pochodną składowej wektora wodzącego (po czasie): 

 

 

 

  

 

  

Podstawmy to równanie pod uzyskany wcześniej wzór na prędkość 

 

  

 w ruchu jednostajnie przyspieszonym: 

 

  

  

  

   

  

   

 

    

 
Wykonajmy proste przekształcenie: 

  

  

    

  

   

 

          

 

Teraz przecałkujmy równanie obustronnie (pamiętając, że 

 

  

 jest wielkością stałą): 

 

    

  

  

 

 

  

     

  

   

 

         

 

 

 

Co daje: 

 

 

  

   

  

   

  

       

 

 

 

 

 

 

 
Po prostym przekształceniu: 

 

 

 

  

   

  

   

  

       

 

 

 

 

 

 

 

 
Otrzymujemy znany wzór na położenie (drogę) 

 

  

 w ruchu jednostajnie przyspieszonym.  

Dodajmy, że podobnie jak poprzednio 

 

  

 pełni tutaj rolę stałego położenia początkowego a 

 

  

 prędkości 

początkowej (w momencie gdy czas 

     ). 

Analogicznie jak wcześniej możemy zmieniać znaki przy wartościach stosownych składowych w zależności od zwrotu 
ich wektorów i osi X. 

 

Jak widzisz znane ze szkoły średniej wzory okazują się prostymi matematycznymi konsekwencjami 
zależności pomiędzy składowymi wektora wodzącego, prędkości i przyspieszenia (

  

 

 

  

 

  

   

 

 

  

 

  

). Podkreślmy, że wzory te można zastosować do każdego, nawet najbardziej skomplikowanego 

ruchu. Oczywiście równolegle wzdłuż innych osi (Y, Z) mogą realizować się odmienne typy 

background image

32 

 

 

Kinematyka 

Adam Buczek  FIZYKA bez RYZYKA  

Politechnika Poznańska Wydział Fizyki Technicznej 

 

ruchów. Wówczas analogiczne rachunki prowadzimy z osobna dla każdej osi. Na końcu uzyskane 
składowe można wektorowo posumować i otrzymać całkowite wartości stosownych wektorów dla 
dowolnej ilości rozmiarów przestrzeni.