background image

15 

 

 

Kinematyka 

Adam Buczek  FIZYKA bez RYZYKA  

Politechnika Poznańska Wydział Fizyki Technicznej 

 

Prędkość chwilowa, prędkość średnia 

We wcześniejszym przykładzie czterech samochodów nie braliśmy pod uwagę czasu ruchu. Ich 
podróże mogły trwać godzinę, dwie lub nawet cały dzień. Czujemy intuicyjnie, że tym co będzie je 
różniło jest kolejny ważny parametr – prędkość. Ogólnie prędkość będzie stosunkiem wykonanego 
przesunięcia do czasu, w którym to przesunięcie zostało wykonane. Ale jak rozumieć 
„przesunięcie”? W poprzednim rozdziale rozważaliśmy różne sposoby na określenie przesunięć 
ciała: 

– różniczki wektorów 

  

      zdające sprawę z „minimalnych” – chwilowych zmian wektora 

wodzącego zachodzących w małych odstępach czasu 

  , 

– różniczki skalarów 

   będące wartościami powyższych wektorów (czyli długościami 

minimalnych – chwilowych przesunięć) równe różniczkom drogi 

  , zachodzące w małych 

odstępach czasu 

  , 

– posumowane (całkowane) różniczki wektorów dające całkowite – „globalne” przemieszczenie 
  

     , które ma miejsce w całkowitym czasie    (wynikających z całkowania różniczek   ) 

– posumowane (całkowane) różniczki skalarów dające całkowitą – „globalną” drogę 

  , również 

pokonywaną w całkowitym czasie 

  . 

Każde z tych przesunięć ma swój sens fizyczny i praktyczny. Dzieląc je przez odpowiadające im 
czasy otrzymamy prędkości, które również będą miały głęboki i ważny sens. Omawiam je poniżej 
po kolei. 

Stosunek różniczki wektora 

  

      do odpowiadającego jej czasu   : 

     

  

     

  

 

nazywamy prędkością chwilową (niektóre podręczniki dopisują w jej oznaczeniu indeks „ch”: 
 

  

       ). Jaki jest sens prędkości chwilowej? Zauważ, że powstaje z podzielenia różniczki wektora 
wodzącego przez różniczkę czasu. Są to parametry obejmujące bardzo krótki fragment ruchu – 
wręcz daną chwilę ruchu. W następnym momencie tak zdefiniowana prędkość może być już inna. 
Dlatego nazywamy ją prędkością chwilową! Pamiętaj, że jest to wektor! Jaki będzie miał kierunek i 
zwrot? Powstaje z podzielenia różniczki 

  

      przez dodatni skalar – czas. Zatem będzie miał kierunek 

i zwrot taki sam jak 

  

     . Wektorowy sposób wyznaczania prędkości chwilowej pokazałem na 

rysunku. 

background image

16 

 

 

Kinematyka 

Adam Buczek  FIZYKA bez RYZYKA  

Politechnika Poznańska Wydział Fizyki Technicznej 

 

X

Y

r

d

V

V

V

V

 

 

 

Przeanalizuj animowaną wersję powyższego rysunku otwierając dokument  
„ANIMACJA Prędkość chwilowa”.  
U dołu obrazu znajduje się pasek postępu oraz przyciski,  
które pozwalają uruchamiać kolejne etapy filmu. 

 

Na obrazie przedstawiłem kilka chwil z niewielkimi zmianami wektora wodzącego 

  , 

odpowiadającymi im różniczkami 

  

      oraz wektorami prędkości chwilowych    . Pokazałem również 

pierwszą różniczkę 

  

      w znaczącym powiększeniu. Widzimy, że wektor tej różniczki ma taki sam 

kierunek jak lokalny przebieg drogi ciała (niebieska linia). Mówiliśmy już o tym wcześniej, że mały 
przyrost wektora wodzącego 

  

      jest styczny do toru ruchu w danym miejscu (jego wartość jest też 

równa przyrostowi drogi 

  ). I tak samo będzie z prędkością chwilową: jako wielkość wektorowa 

    jest zawsze styczna do toru ruchu w danym punkcie! 

 

Obliczmy teraz kolejny stosunek: wartości różniczki 

   do czasu   : 

   

  

  

 

background image

17 

 

 

Kinematyka 

Adam Buczek  FIZYKA bez RYZYKA  

Politechnika Poznańska Wydział Fizyki Technicznej 

 

Dzielimy tutaj skalar przez skalar, zatem dostajemy skalar. Dotyczy on też wielkości 
obowiązujących w danym momencie – będzie to zatem wartość wcześniej obliczonej prędkości 

chwilowej 

 

   . Przypominam Ci, że prędkość chwilowa jako wektor ma określoną długość – to jest 

właśnie jej wartość! Właśnie z tego parametru „rozlicza” nas policja drogowa i tę wielkość mierzą 
foto-radary. Wystarczy, że tylko na chwilę przekroczymy dozwoloną prędkość, już możemy 
ponieść karę. W tym kontekście nazwanie tej prędkości „chwilową” staje się jeszcze bardziej 
uzasadnione. 

Jak wiemy różniczka 

   jest równa różniczce drogi   . Zatem równanie na wartość prędkości 

chwilowej możemy zapisać jako: 

   

  

  

 

  

  

 

 

Zajmijmy się teraz kolejną wielkością. Podzielmy całkowite przemieszczenie 

  

      przez 

odpowiadający mu czas 

  : 

      

  

     

  

 

Otrzymaliśmy w ten sposób prędkość średnią. Jak każdą wartość średnią opatrzyłem ją dodatkową 

kreską poziomą nad symbolem „

 ” (ale pod znakiem strzałki wektora):     . Jest to wielkość 

wektorowa, ponieważ powstała z podzielenia wektora przemieszczenia przez dodatni skalar – czas 
całego ruchu. Oba te parametry „globalne” obejmują cały ruch od początku do końca. Zatem 
uzasadnione jest nazwanie tak obliczonej prędkości – prędkością średnia. Po prostu zdaje sprawę ze 
średniej wektorowej wartości tego parametru w całym czasie ruchu. Graficznie przedstawiłem ją na 
kolejnym rysunku. 

background image

18 

 

 

Kinematyka 

Adam Buczek  FIZYKA bez RYZYKA  

Politechnika Poznańska Wydział Fizyki Technicznej 

 

 

 

Przeanalizuj animowaną wersję powyższego rysunku otwierając dokument  
„ANIMACJA Prędkość średnia”.  
U dołu obrazu znajduje się pasek postępu oraz przyciski,  
które pozwalają uruchamiać kolejne etapy filmu. 

 

Powyższa wielkość ma również znaczenie praktyczne. Nieraz interesuje nas średnia prędkość 
związana z określonym przemieszczeniem: na przykład podróży samochodu z miasta A do miasta 
B. Nie zawsze droga biegnie prosto, samochód musi też omijać przeszkody i zatory, ale w końcu 
dociera do miasta B. Logistycznie nie muszą interesować nas szczegóły kształtu całej drogi – tylko 
czasowa możliwość dotarcia z jednej miejscowości do drugiej. Wówczas przydaje się właśnie 
pojęcie i wartość „wektorowej” prędkości średniej związanej tylko z całkowitym „globalnym” 
przemieszczeniem i czasem. Osoby pracujące w transporcie znają wręcz na pamięć czasowe 
możliwości przebycia określonych przemieszczeń między miastami. 

Zauważ, że gdy wektor przemieszczenia jest równy zeru, taką jest też prędkość średnia. 
Przypominając sobie przykład z samochodami widzimy zatem, że prędkość średnia nie musi w 
pełni oddawać specyfiki ruchu. 

Dodajmy też, że gdy prędkość (jako wektor) jest stała, wówczas prędkość średnia jest równa 
prędkości chwilowej. 

 

V

X

Y

A

r

B

r

A

r

B

 

background image

19 

 

 

Kinematyka 

Adam Buczek  FIZYKA bez RYZYKA  

Politechnika Poznańska Wydział Fizyki Technicznej 

 

Pozostało nam jeszcze obliczenie stosunku całkowitej drogi 

   do czasu   : 

 

  

 

  

  

 

Dzielimy tutaj całkowitą „globalną” drogę przez czas. Jest to również prędkość średnia ale 
uzyskana z podzielenia drogi (skalara) przez czas (też skalar). Zatem jest to skalarna prędkość 
średnia. Zdaje ona sprawę ze średniej wartości (w czasie) jaką wyświetlał nam prędkościomierz 
samochodu. 

Uwaga: wartość „skalarnej” prędkości średniej 

 

  

 w ogólności nie jest równa wartości 

„wektorowej” prędkości średniej 

  ! Z przykładu z trzecim i czwartym samochodem wiemy 

przecież, że przemieszczenie 

  

      może być równe zeru (i wówczas wektorowa prędkość średnia      

jest równa zeru) a droga 

   może być większa od zera (i taką będzie prędkość średnia policzona w 

postaci skalarnej 

 

  

). Dlatego rozróżniam te dwie wielkości i wartość wektora prędkości średniej 

oznaczam 

   a „skalarną” prędkość średnią jako  

  

Podkreślmy jeszcze, że wszystkie powyższe wielkości (wektorowe i skalarne) będą miały konkretne 
liczbowe wartości wyrażone w odpowiednich jednostkach. Wynikają one z podzielenia długości 
przez czas. W układzie SI jest to [m/s], ale jak wiesz ogólnie dozwolone są również inne jednostki – 
na przykład „motoryzacyjne” [km/h]. Dodać należy, że czasami wartość prędkości nazywa się 
szybkością

Nie bądź przerażony, że tyle rodzajów prędkości wymieniłem wcześniej. Podobnie jak z 
przesunięciami ważne abyś rozumiał znaczenie tych pojęć – z jakich wielkości fizycznych i 
operacji matematycznych powstają. Jak widzisz każda z nich ma sens praktyczny i masz z nimi do 
czynienia na co dzień. W zależności od sytuacji będziemy się nimi stosownie posługiwać. Wiele 
podręczników nie rozpisuje tak dokładnie zagadnień przesunięć i prędkości. Stąd często biorą się 
nieporozumienia w rozwiązywaniu zadań. 

Prędkości jako wektory również możemy rzutować na osie układu współrzędnych otrzymując 
stosowe składowe. Na rysunku przedstawiam taki rozkład dla prędkości chwilowej. 

background image

20 

 

 

Kinematyka 

Adam Buczek  FIZYKA bez RYZYKA  

Politechnika Poznańska Wydział Fizyki Technicznej 

 

X

x

V

Y

Y

x

V

i

ˆ

y

V

j

ˆ

jˆ

iˆ

X

V

y

V

V

 

 

Ponownie składowa pionowa ma zwrot przeciwny do osi Y. Obie kładowe 

   

 

 oraz 

   

 

 wyznaczamy 

zgodnie z zasadami prostopadłego rzutowania końca i początku wektora na osie X i Y. Z kolei 
każdą taką składową możemy wyrazić za pomocą wektorów kierunkowych 

   oraz   : 

   

 

        

 

 

   

 

          

 

  

Oczywiście wektor 

    możemy zawsze znów „złożyć” ze sumy składowych: 

         

 

     

 

        

 

          

 

  

Zapamiętaj ten „złożeniowy” wzór. Wkrótce nam się przyda! Minusy przed wartością 

 

 

 ponownie 

wynikają z przeciwnego zwrotu odpowiadającej jej składowej w stosunku do osi Y. 

Jak każdy wektor, również „wektorową” prędkość średnią  

     możemy rozłożyć na składowe     

 

 oraz 

    

 

 zgodnie z zasadami prostopadłego rzutowania końca i początku wektora na osie X i Y. 

Obowiązują tutaj wzory analogiczne do wcześniejszych.  

 

background image

21 

 

 

Kinematyka 

Adam Buczek  FIZYKA bez RYZYKA  

Politechnika Poznańska Wydział Fizyki Technicznej 

 

Nie przerażaj się powyższymi równaniami wektorowymi. Tak naprawdę rachunki dla wektora 
wodzącego, jego różniczki, przemieszczeń i prędkości są do siebie bardzo podobne. Operujesz tutaj 
obiektami geometrycznymi, zatem musisz „uszanować” ich kierunki i zwroty. Ten „szacunek” 
okazujesz stosując wektory kierunkowe i rozróżniając czym jest wektor a czym jego wartość.