||

Obliczanie przyspieszenia samochodu

Treść zadania

Kiedy wpiszemy w wyszukiwarkę hasło „przyspieszenie samochodu”, znajdziemy informacje na temat tego, w jakim czasie dany model osiąga prędkość 100kmh100 \frac{\text{km}}{\text{h}}.
Jak podaje Wikipedia najszybszy samochód świata Aspark Owl dokonuje tego w 1,69s1,69 \text{s}. Dla porównania, miejskim samochodom osobowym zajmuje to między 10s10 \text{s} a 15s15 \text{s}.
Na podstawie podanych informacji oblicz jaką wartość ma przyspieszenie samochodu Aspark Owl oraz zakres wartości przyspieszenia dla miejskich samochodów osobowych.

Obliczanie przyspieszenia samochodu. Trzy wykresy zależności v(t): jeden dla samochodu Aspark Owl i dwa dla samochodów osobowych. Wykresy odpowiadają danym z treści zadania.
Wykresy ilustrują zmianę prędkości w czasie podczas przyspieszania dla samochodu Aspark Owl (pomarańczowy) oraz dla miejskich samochodów osobowych w przypadku minimalnego (szary) i maksymalnego (niebieski) przyspieszenia. Przyjęto założenie upraszczające, że przyspieszenie jest stałe.

Potrzebujesz pomocy?

Schemat rozwiązania

Wyświetl schemat rozwiązania

Dane:
Δv=100kmh\Delta v=100 \frac{\text{km}}{\text{h}}
ΔtAO=1,69s\Delta t_{AO}=1,69\text{s}
Δtos1=10s\Delta t_{os1}=10 \text{s}
Δtos2=15s\Delta t_{os2}=15 \text{s}

Szukane:
aAO=?a_{AO}=?
aos1=?a_{os1}=?
aos2=?a_{os2}=?

Wzory:
a=ΔvΔta=\frac{\Delta v}{\Delta t}


Zamiana jednostek:
Δv=100kmh=1001000m3600s27,8ms\Delta v=100 \frac{\text{km}}{\text{h}}=100 \cdot\frac{1000 \text{m}}{3600 \text{s}}\approx27,8 \frac{\text{m}}{\text{s}}

Obliczenia:
aAO27,8ms1,69s16,4ms2a_{AO}\approx\frac{27,8 \frac{\text{m}}{\text{s}}}{1,69\text{s}}\approx16,4 \frac{\text{m}}{\text{s}^2}
aos127,8ms10s2,8ms2a_{os1}\approx\frac{27,8 \frac{\text{m}}{\text{s}}}{10\text{s}}\approx2,8 \frac{\text{m}}{\text{s}^2}
aos227,8ms15s1,9ms2a_{os2}\approx\frac{27,8 \frac{\text{m}}{\text{s}}}{15\text{s}}\approx1,9 \frac{\text{m}}{\text{s}^2}

Rozwiązanie z komentarzem

1. krok – dane i szukane

Wyświetl 1. krok

W treści zadania podane są czasy osiągnięcia przez różne samochody prędkości 100kmh100 \frac{\text{km}}{\text{h}}. Zakładamy, że auto rozpędza się od spoczynku (prędkość 0kmh0 \frac{\text{km}}{\text{h}}), zatem 100kmh100 \frac{\text{km}}{\text{h}} jest zmianą wartości prędkości Δv\Delta v, jaka następuje w danym czasie Δt\Delta t. Kolejnym ważnym założeniem jest ruch prostoliniowy samochodu w trakcie przyspieszania (w treści zadania nie ma nic o zakrzywieniu toru ruchu). W tej sytuacji wartość zmiany prędkości jest równa zmianie szybkości (czyli zmianie wartości prędkości). Zmiana wartości prędkości jest w każdym przypadku taka sama, nie dodamy zatem żadnego indeksu, ale zindeksujemy zmiany czasu dla odróżnienia poszczególnych przypadków. Takie same indeksy dodamy również do szukanych wartości przyspieszeń.
Dane:
Δv=100kmh\Delta v=100 \frac{\text{km}}{\text{h}}
ΔtAO=1,69s\Delta t_{AO}=1,69\text{s} / czas dla samochodu Aspark Owl
Δtos1=10s\Delta t_{os1}=10 \text{s} / dolny zakres czasu dla osobówki
Δtos2=15s\Delta t_{os2}=15 \text{s} / górny zakres czasu dla osobówki
Szukane:
aAO=?a_{AO}=? / przyspieszenie samochodu Aspark Owl
aos1=?a_{os1}=? / maksymalne przyspieszenie osobówki
aos2=?a_{os2}=? / minimalne przyspieszenie osobówki

2. krok – wzór i zamiana jednostek

Wyświetl 2. krok

Jak obliczyć przyspieszenie? Z definicji wartość przyspieszenia w ruchu prostoliniowym jednostajnie przyspieszonym obliczamy jako
a=ΔvΔta=\frac{\Delta v}{\Delta t}
Aby otrzymać przyspieszenie wyrażone w ms2\frac{\text{m}}{\text{s}^2} musimy mieć prędkość w ms\frac{\text{m}}{\text{s}} oraz czas w s\text{s}. Prędkość podana w treści zadania to 100kmh100 \frac{\text{km}}{\text{h}}, musimy zatem dokonać zamiany jednostek. Wykorzystamy fakt, że 1km=1000m1 \text{km}=1000\text{m} oraz 1h=60min=6060s=3600s1 \text{h}=60 \text{min}=60 \cdot 60 \text{s}=3600 \text{s}, czyli
100kmh=1001000m3600s=1000m36s27,8ms100 \frac{\text{km}}{\text{h}}=100 \cdot \frac{1000 \text{m}}{3600 \text{s}}=\frac{1000 \text{m}}{36 \text{s}}\approx 27,8 \frac{\text{m}}{\text{s}}

3. krok – obliczanie przyspieszenia samochodu

Wyświetl 3. krok

Teraz wystarczy już tylko podstawić odpowiednie wartości do wzoru i dokonać trzykrotnie obliczenia wartości przyspieszenia. Najpierw dla samochodu Aspark Owl
aAO27,8ms1,69s16,4ms2a_{AO}\approx\frac{27,8 \frac{\text{m}}{\text{s}}}{1,69\text{s}}\approx16,4 \frac{\text{m}}{\text{s}^2}
Ponieważ zarówno zmiana wartości prędkości, jak i czas są podane z dokładnością do trzech cyfr znaczących, więc z taką samą dokładnością zaokrąglamy wynik.
Następnie obliczymy maksymalne przyspieszenie dla miejskiego samochodu osobowego
aos127,8ms10s2,8ms2a_{os1}\approx\frac{27,8 \frac{\text{m}}{\text{s}}}{10\text{s}}\approx2,8 \frac{\text{m}}{\text{s}^2}
Tutaj czas już podany jest z dokładnością do dwóch cyfr znaczących. Wynik zaokrąglamy z taką dokładnością jak najmniej dokładna dana, zatem również do dwóch cyfr znaczących.
Ostatecznie minimalne przyspieszenie osobówki:
aos227,8ms15s1,9ms2a_{os2}\approx\frac{27,8 \frac{\text{m}}{\text{s}}}{15\text{s}}\approx1,9 \frac{\text{m}}{\text{s}^2}
Tu też dwie cyfry znaczące ze względu na tak podany czas.

Odpowiedź

Wyświetl odpowiedź

Przyspieszenie samochodu Aspark Owl ma wartość 16,4ms216,4 \frac{\text{m}}{\text{s}^2}, natomiast przyspieszenie miejskich samochodów osobowych mieści się w przedziale od 1,9ms21,9 \frac{\text{m}}{\text{s}^2} do 2,8ms22,8 \frac{\text{m}}{\text{s}^2}.


Dla dociekliwych

  • Otrzymane wartości przyspieszeń miejskich samochodów osobowych są już odczuwalne jako lekkie „wciskanie w fotel”, ale nie powodują dyskomfortu. Przyspieszenie samochodu Aspark Owl jest już jednak na tyle duże, że byłoby nieprzyjemne. To więcej niż osiągają bolidy F1.
  • Obliczone przez nas wartości przyspieszeń to tak naprawdę wartości średnie. W rzeczywistości przyspieszenie samochodu też zmienia się w trakcie ruchu. Wpływa na to choćby wzrost siły oporów ruchu wraz ze wzrostem prędkości. Siła oporów ruchu jest proporcjonalna do kwadratu wartości prędkości, zatem rośnie dość szybko. Poglądowe wykresy zależności wartości prędkości od czasu nie uwzględniają tego efektu i odpowiadają ruchowi jednostajnie przyspieszonemu. Gdybyśmy chcieli faktycznie uwzględnić to, że przyspieszenie samochodu nie jest stałe, musielibyśmy opisać je pochodną a=dvdta=\frac{\text{d}v}{\text{d}t} i znać zależność prędkości od czasu.

Podstawa programowa

Wymagania szczegółowe. Uczeń:

  • I. 1) przedstawia jednostki wielkości fizycznych, opisuje ich związki z jednostkami podstawowymi; przelicza wielokrotności i podwielokrotności;
  • I. 4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem;
  • II. 3) opisuje ruchy prostoliniowe jednostajne i jednostajnie zmienne, posługując się zależnościami położenia, wartości prędkości oraz drogi od czasu.

Coś się zaciekawiło? A może widzisz błąd? Potrzebujesz czegoś więcej? Daj znać w komentarzu. Ta strona wciąż się rozwija.

Podobne wpisy

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *