← Zpět na Kvinta/1. ročník

Grafy rovnoměrně zrychleného pohybu

zrychlení, rychlost a dráha z grafů

Zrychlení

Pohyb stálou rychlostí se v běžném provozu objevuje jen výjimečně, vozidla během jízdy rychlost téměř pořád upravují. Pokud velikost rychlosti roste, mluvíme o pohybu zrychleném, pokud klesá, o pohybu zpomaleném.

Tempo, jakým se rychlost mění, vyjadřuje zrychlení \(a\). Když se během časového úseku \(\Delta t\) rychlost změní o \(\Delta v\), získáme průměrné zrychlení jako podíl obou změn:

\[ a_\mathrm{p} = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{v - v_0}{t - t_0} \]

Zrychlení měříme v metrech za sekundu na druhou: \([a] = \dfrac{\mathrm{m\cdot s^{-1}}}{\mathrm{s}} = \mathrm{m\cdot s^{-2}}\). Necháme-li interval \(\Delta t\) zkrátit na nepatrný okamžik, vyjde okamžité zrychlení, které budeme nazývat zkrátka zrychlení.

Příklad: Cyklista při předjíždění zrychlí během 5 s z 2 m·s⁻¹ na 8 m·s⁻¹:

\[ a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{8\ \mathrm{m\cdot s^{-1}} - 2\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}}{5\ \mathrm{s}} = 1{,}2\ \mathrm{m\cdot s^{-2}} \]

Hodnota 1,2 m·s⁻² říká, že cyklistovi každou sekundu přibývá 1,2 m·s⁻¹ rychlosti.

Pohyb nazýváme rovnoměrně zrychlený (resp. rovnoměrně zpomalený) přímočarý, jestliže se jeho zrychlení nemění — v libovolných stejně dlouhých intervalech se rychlost změní o totéž. Zrychlení je vektor: při zrychlování míří souhlasně s rychlostí, při zpomalování proti ní.

Vektor zrychlení \(\boldsymbol{a}\) zůstává beze změny. Šipka rychlosti \(\boldsymbol{v}\) se při zrychlování natahuje, při zpomalování zkracuje.
Rychlost a graf rychlosti v(t)

Vyjdeme-li z klidu (v čase \(t = 0\) je \(v_0 = 0\)), dostaneme úpravou definice zrychlení

\[ v = a\,t \]

Rychlost tedy narůstá přímo úměrně s časem. Pokud těleso na začátku sledování už nějakou počáteční rychlost \(v_0\) má, připočte se k ní:

\[ v = v_0 + a\,t \]

Rychlost závisí na čase lineárně, a proto její graf tvoří úsek přímky. Hodnota \(v_0\) určuje, v jaké výšce graf na svislé ose začíná.

Zrychlení obou těles je stejné, \(a = 1{,}5\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\), proto jsou přímky rovnoběžné. Horní těleso ale startuje s \(v_0 = 3\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\).

Graf rychlosti zde vypadá stejně jako graf dráhy u rovnoměrného pohybu, jen se posunul význam veličin: sklon přímky dříve udával rychlost, nyní udává zrychlení.

Jak z grafu rychlosti určit zrychlení

Na přímce si vybereme dva body ležící přesně v uzlech mřížky, z grafu přečteme rozdíl časů \(\Delta t\) i rozdíl rychlostí \(\Delta v\) a oba údaje podělíme:

Těleso startuje s rychlostí \(v_0 = 2\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\) a rovnoměrně zrychluje.
\[ a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{10\ \mathrm{m\cdot s^{-1}} - 4\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}}{4\ \mathrm{s} - 1\ \mathrm{s}} = \frac{6\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}}{3\ \mathrm{s}} = 2\ \mathrm{m\cdot s^{-2}} \]

Jak číst graf rychlosti:

• výška grafu v daném čase = okamžitá rychlost; bod, kde graf protíná svislou osu = počáteční rychlost \(v_0\),

• sklon (směrnice) grafu = zrychlení; čím strmější přímka, tím větší zrychlení,

• vodorovná čára = rychlost je konstantní, \(a = 0\) (rovnoměrný pohyb),

• klesající čára = těleso brzdí.

Rovnoměrně zpomalený pohyb

Při rovnoměrně zpomaleném pohybu míří zrychlení proti rychlosti, takže velikost rychlosti s časem lineárně ubývá:

\[ v = v_0 - a\,t \]

Minus ve vzorci už samo vyjadřuje brzdění, proto do něj dosazujeme velikost zrychlení (kladné číslo). Graf rychlosti je klesající přímka. Těleso se zastaví ve chvíli, kdy \(v = 0\), tedy po době \(t = v_0/a\).

Brzdění z \(v_0 = 15\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\) se zrychlením o velikosti \(a = 2{,}5\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\); těleso se zastaví po \(t = 15/2{,}5\ \mathrm{s} = 6\ \mathrm{s}\).

Vyjde-li zrychlení přímo z grafu podle vztahu \(a = \Delta v/\Delta t\), bude u brzdění záporné: \(a = \dfrac{0 - 15\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}}{6\ \mathrm{s}} = -2{,}5\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\). Oba zápisy popisují totéž: zrychlení má velikost 2,5 m·s⁻² a směr proti pohybu. V tréninku proto zadávejte zrychlení i se znaménkem; při brzdění tedy záporné.

Graf zrychlení a(t)

Zrychlení je u tohoto pohybu konstantní, takže graf zrychlení je vodorovná přímka. Plocha pod ní vyjadřuje přírůstek rychlosti — obdobně jako plocha pod grafem rychlosti vyjadřuje uraženou dráhu.

Během 3 s rychlost přibude o \(\Delta v = a\,t = 2{,}5\ \mathrm{m\cdot s^{-2}} \cdot 3\ \mathrm{s} = 7{,}5\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\).
Dráha — plocha pod grafem rychlosti

Už u rovnoměrného pohybu odpovídala dráha obdélníku pod grafem rychlosti. Pravidlo platí obecně: dráha se rovná obsahu plochy pod grafem rychlosti, ať je pohyb jakýkoli.

Při rozjezdu z klidu tvoří plocha pod grafem trojúhelník o základně \(t\) a výšce \(v = a\,t\):

Rozjezd z klidu se zrychlením \(a = 2{,}5\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\): po 4 s má těleso rychlost 10 m·s⁻¹ a ujelo 20 m.
\[ s = \tfrac{1}{2}\,t \cdot a\,t = \tfrac{1}{2}\,a\,t^2 \qquad \text{zde } s = \tfrac{1}{2} \cdot 2{,}5\ \mathrm{m\cdot s^{-2}} \cdot (4\ \mathrm{s})^2 = 20\ \mathrm{m} \]

Dráha při rozjezdu z klidu je tedy přímo úměrná čtverci času. Má-li těleso navíc počáteční rychlost \(v_0\), rozdělí se plocha pod grafem na obdélník (výška \(v_0\)) a nad ním ležící trojúhelník:

\(v_0 = 4\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\), \(a = 2\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\), \(t = 3\ \mathrm{s}\): obdélník \(v_0 t = 12\ \mathrm{m}\), trojúhelník \(\tfrac{1}{2} a t^2 = 9\ \mathrm{m}\), celkem 21 m.
\[ s = v_0\,t + \tfrac{1}{2}\,a\,t^2 \]

Při rovnoměrně zpomaleném pohybu urazí těleso o \(\tfrac{1}{2}a t^2\) méně, než by urazilo při stálé rychlosti \(v_0\). Nezačíná-li pohyb v počátku, ale v poloze \(s_0\) (počáteční dráha), přičteme ji k výsledku:

\[ s = s_0 + v_0\,t + \tfrac{1}{2}\,a\,t^2 \qquad s = s_0 + v_0\,t - \tfrac{1}{2}\,a\,t^2 \]

Stejnou plochu můžeme vyjádřit i jako lichoběžník, tedy jako aritmetický průměr počáteční a koncové rychlosti vynásobený dobou: \(s = \dfrac{v_0 + v}{2}\,t\). Výraz \(\dfrac{v_0 + v}{2}\) je přitom průměrná rychlost na daném úseku rovnoměrně zrychleného pohybu.

Kontrola jednotek: \([v_0 t] = \mathrm{m\cdot s^{-1} \cdot s} = \mathrm{m}\) a \([\tfrac{1}{2} a t^2] = \mathrm{m\cdot s^{-2} \cdot s^2} = \mathrm{m}\). Oba sčítance vycházejí v metrech, vztah je tedy jednotkově správný.

Graf dráhy s(t) — parabola

Dráha je úměrná čtverci času, a proto graf dráhy tvoří část paraboly. Kulička, která se z klidu rozkutálí po nakloněné rovině se zrychlením 1 m·s⁻², postupně ujede:

t (s)0246
s (m)02818

Zatímco časy jsou v poměru 1 : 2 : 3, dráhy jsou v poměru 1 : 4 : 9 — dvojnásobný čas znamená čtyřnásobnou dráhu.

Graf dráhy kuličky je část paraboly. Křivka se stále strměji zvedá, protože rychlost roste.

Sklon grafu dráhy v libovolném bodě odpovídá okamžité rychlosti. Při zrychlování je křivka čím dál strmější, při zpomalování se vyrovnává a ve chvíli zastavení se její tečna stane vodorovnou. Přečteme-li z grafu dráhu \(s\) uraženou za čas \(t\) od startu z klidu, zrychlení vyjádříme ze vztahu \(s = \tfrac{1}{2}at^2\):

\[ a = \frac{2s}{t^2} = \frac{2 \cdot 18\ \mathrm{m}}{(6\ \mathrm{s})^2} = 1\ \mathrm{m\cdot s^{-2}} \]

Podíl \(s/t\) z grafu dráhy nedává okamžitou rychlost, ale pouze rychlost průměrnou. Kulička ujede za 6 s celkem 18 m, v průměru tedy 3 m·s⁻¹, kdežto na konci úseku se valí rychlostí \(v = a\,t = 6\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\).

Brzdění a brzdná dráha

Automobil jedoucí rychlostí \(v_0 = 20\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\) brzdí se zrychlením o velikosti \(a = 4\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\). Zastavení nastane po \(t = v_0/a = 5\ \mathrm{s}\) a brzdná dráha vyjde

\[ \begin{gathered} s = v_0\,t - \tfrac{1}{2}\,a\,t^2 \\ s = 20 \cdot 5\ \mathrm{m} - \tfrac{1}{2} \cdot 4 \cdot 5^2\ \mathrm{m} = 50\ \mathrm{m} \end{gathered} \]

Dosazením \(t = v_0/a\) do vzorce pro dráhu odvodíme obecný výraz pro brzdnou dráhu; shoduje se s obsahem trojúhelníku pod grafem rychlosti:

\[ s = \frac{v_0^2}{2a} = \tfrac{1}{2}\,v_0\,t \]
Při brzdění se graf dráhy vyrovnává a od 5 s je vodorovný: auto stojí, takže dráha už neroste.

Brzdění až do zastavení odpovídá rozjezdu z klidu přehranému pozpátku. Počáteční rychlost i zrychlení proto z grafu dráhy získáme vztahy \(v_0 = \dfrac{2s}{t}\) a \(a = \dfrac{2s}{t^2}\).

Reakční dráha. Řidič začne brzdit až po reakční době (zhruba 1 s), v níž auto dál jede stálou rychlostí. Uvažme rychlost 25 m·s⁻¹ (90 km·h⁻¹) a brzdění se zrychlením o velikosti 5 m·s⁻²:

Pod grafem rychlosti odpovídá reakční dráze obdélník a brzdné dráze trojúhelník.
\[ \begin{gathered} s_\mathrm{r} = v_0\,t_\mathrm{r} = 25 \cdot 1\ \mathrm{m} = 25\ \mathrm{m} \\ s_\mathrm{b} = \frac{v_0^2}{2a} = \frac{25^2}{2 \cdot 5}\ \mathrm{m} = 62{,}5\ \mathrm{m} \\ s = s_\mathrm{r} + s_\mathrm{b} = 87{,}5\ \mathrm{m} \end{gathered} \]

Brzdná dráha roste se čtvercem počáteční rychlosti: při dvojnásobné rychlosti (50 m·s⁻¹) vyjde čtyřikrát delší, tedy 250 m.

Pohyb složený z více úseků

Příklad: Souprava metra se z klidu rozjíždí 6 s, až dosáhne 12 m·s⁻¹, dalších 8 s jede touto rychlostí a posledních 6 s rovnoměrně brzdí do zastavení.

úsekpohybΔt (s)a (m·s⁻²)Δs (m)
1rovnoměrně zrychlený62½ · 12 · 6 = 36
2rovnoměrný8012 · 8 = 96
3rovnoměrně zpomalený6−2½ · 12 · 6 = 36

Graf rychlosti je lomená čára složená ze stoupající, vodorovné a klesající úsečky. Dráhu zjistíme sečtením ploch pod grafem:

Plocha pod grafem rychlosti se skládá z trojúhelníku, obdélníku a dalšího trojúhelníku.
\[ \begin{gathered} s = 36\ \mathrm{m} + 96\ \mathrm{m} + 36\ \mathrm{m} = 168\ \mathrm{m} \\ v_\mathrm{p} = \frac{s}{t} = \frac{168\ \mathrm{m}}{20\ \mathrm{s}} = 8{,}4\ \mathrm{m\cdot s^{-1}} \end{gathered} \]

Graf dráhy má tři části: parabolu se stále rostoucím sklonem (rozjezd), přímku (stálá rychlost) a parabolu, jejíž sklon klesá k nule (brzdění). Na hranicích úseků na sebe křivky plynule navazují.

Graf dráhy metra. Sklon přímého úseku odpovídá 12 m·s⁻¹, tedy největší rychlosti soupravy.
Shrnutí

• Zrychlení \(a = \Delta v/\Delta t\) se měří v m·s⁻²; u rovnoměrně zrychleného i zpomaleného pohybu se nemění.

• Rychlost: \(v = v_0 + a t\) při zrychlování, \(v = v_0 - a t\) při zpomalování (\(a\) je velikost zrychlení).

• Dráha: \(s = v_0 t + \tfrac{1}{2} a t^2\), z klidu \(s = \tfrac{1}{2} a t^2\); zpomalený \(s = v_0 t - \tfrac{1}{2} a t^2\); brzdná dráha \(s = v_0^2/(2a)\).

• Graf \(v(t)\) je přímka: výška udává rychlost, sklon zrychlení a plocha pod ním dráhu.

• Graf \(s(t)\) je část paraboly: při zrychlování se sklon zvětšuje, při zpomalování zmenšuje.

• Pohyb z více úseků: dráhy jednotlivých úseků sčítáme a průměrná rychlost je celková dráha dělená celkovou dobou.