Ускорение в физике: определение, виды и единицы измерения.

Введение

Скорость изменения скорости, ускорение в физике

В механике ускорение — это скорость изменения скорости объекта относительно времени. Ускорение является одним из компонентов кинематики, раздела физики, изучающего движение. Ускорения — это векторные величины (обладающие как величиной, так и направлением). Направление ускорения объекта определяется направлением равнодействующей силы, действующей на этот объект. Величина ускорения объекта, согласно второму закону Ньютона, является результатом двух факторов:
равновесие всех внешних сил, действующих на объект — величина прямо пропорциональна этой равнодействующей силе;
масса объекта, зависящая от материала, из которого он изготовлен — величина обратно пропорциональна массе объекта. Единицей измерения ускорения в системе СИ является метр на секунду в квадрате (м/с²). Например, когда транспортное средство начинает движение из состояния покоя (нулевая скорость в инерциальной системе отсчета) и движется по прямой с увеличивающейся скоростью, оно ускоряется в направлении движения. Если транспортное средство поворачивает, возникает ускорение в направлении нового движения, изменяющее вектор скорости. Ускорение транспортного средства в текущем направлении движения называется линейным (или тангенциальным при круговом движении), и пассажиры ощущают его как силу, прижимающую их к сиденьям. При изменении направления возникает радиальное (или центростремительное при круговом движении) ускорение, которое пассажиры ощущают как центробежную силу. Если скорость транспортного средства уменьшается, это ускорение направлено противоположно вектору скорости (математически отрицательное, если движение одномерное и скорость положительная), иногда называемое замедлением, и пассажиры ощущают его как инерциальную силу, толкающую их вперед. Такого рода отрицательные ускорения часто достигаются с помощью включения тормозных двигателей в космических аппаратах. Ускорение и замедление рассматриваются одинаково, поскольку оба являются изменениями скорости. Каждое из этих ускорений (тангенциальное, радиальное, замедление) ощущается пассажирами до тех пор, пока их относительная скорость не будет нейтрализована по отношению к ускорению, вызванному изменением скорости.

In mechanics, acceleration is the rate of change of the velocity of an object with respect to time. Acceleration is one of several components of kinematics, the study of motion. Accelerations are vector quantities (in that they have magnitude and direction). The orientation of an object's acceleration is given by the orientation of the net force acting on that object. The magnitude of an object's acceleration, as described by Newton's Second Law, is the combined effect of two causes:
the net balance of all external forces acting onto that object — magnitude is directly proportional to this net resulting force;
that object's mass, depending on the materials out of which it is made — magnitude is inversely proportional to the object's mass. The SI unit for acceleration is metre per second squared (m⋅s−2, ). For example, when a vehicle starts from a standstill (zero velocity, in an inertial frame of reference) and travels in a straight line at increasing speeds, it is accelerating in the direction of travel. If the vehicle turns, an acceleration occurs toward the new direction and changes its motion vector. The acceleration of the vehicle in its current direction of motion is called a linear (or tangential during circular motions) acceleration, the reaction to which the passengers on board experience as a force pushing them back into their seats. When changing direction, the effecting acceleration is called radial (or centripetal during circular motions) acceleration, the reaction to which the passengers experience as a centrifugal force. If the speed of the vehicle decreases, this is an acceleration in the opposite direction of the velocity vector (mathematically a negative, if the movement is unidimensional and the velocity is positive), sometimes called deceleration or retardation, and passengers experience the reaction to deceleration as an inertial force pushing them forward. Such negative accelerations are often achieved by retrorocket burning in spacecraft. Both acceleration and deceleration are treated the same, as they are both changes in velocity. Each of these accelerations (tangential, radial, deceleration) is felt by passengers until their relative (differential) velocity are neutralized in reference to the acceleration due to change in speed.

Среднее ускорение

Среднее ускорение объекта за определенный промежуток времени — это изменение его скорости, Δv, делённое на длительность этого промежутка времени. Математически это выражается следующим образом:

Единицы

Ускорение имеет размерность скорости (L/T), делённую на время, то есть L T−2. Единицей измерения ускорения в системе СИ является метр на секунду в квадрате (м/с²); или "метр в секунду за секунду", поскольку скорость в метрах в секунду изменяется на величину ускорения каждую секунду.

Другие формы

Объект, движущийся по окружности, например, спутник, вращающийся вокруг Земли, испытывает ускорение из-за изменения направления движения, даже если его скорость остается постоянной. В этом случае говорят о центростремительном (направленном к центру) ускорении. Собственное ускорение, то есть ускорение тела относительно состояния свободного падения, измеряется прибором, называемым акселерометром. В классической механике для тела с постоянной массой (векторное) ускорение центра масс тела пропорционально результирующему вектору силы (то есть сумме всех сил), действующему на него (второй закон Ньютона):

где 'F' – результирующая сила, действующая на тело, m – масса тела, а 'a' – ускорение центра масс. По мере приближения скорости к скорости света релятивистские эффекты становятся все более существенными.

Координационные системы

В многомерных декартовых системах координат ускорение раскладывается на компоненты, соответствующие каждой оси координат. В двухмерной системе, где есть ось x и ось y, соответствующие компоненты ускорения определяются как. Двумерный вектор ускорения определяется как. Величина этого вектора находится по формуле расстояния как. В трехмерных системах, где есть дополнительная ось z, соответствующая компонента ускорения определяется как. Трехмерный вектор ускорения определяется как, а его величина определяется по формуле.

Специальная теория относительности

Специальная теория относительности описывает поведение объектов, движущихся относительно других объектов на скоростях, близких к скорости света в вакууме. Ньютоновская механика оказывается точным приближением к реальности, сохраняющим высокую точность при небольших скоростях. С ростом скорости, приближающейся к скорости света, ускорение перестает подчиняться классическим уравнениям. По мере приближения к скорости света ускорение, создаваемое данной силой, уменьшается, стремясь к бесконечно малому; объект, обладающий массой, может асимптотически приближаться к этой скорости, но никогда не достигнет её.

Общая теория относительности

Если не известно состояние движения объекта, невозможно отличить, вызвана ли наблюдаемая сила гравитацией или ускорением — гравитация и инерциальное ускорение оказывают идентичное воздействие. Альберт Эйнштейн назвал это принципом эквивалентности и утверждал, что только наблюдатели, не ощущающие никакой силы, включая силу гравитации, имеют право заключать, что они не ускоряются.