Что такое относительная скорость в математике
Относительная скорость.
Относительная скорость – это физическая величина, равная векторной разности скоростей, заданных относительно неподвижной системы отсчета.
При изучении механического движения в первую очередь подчеркивается его относительность. При изучении различных свойств движения тела предполагается, что рассматривается абсолютное движение (т. е. движение, отнесенное к неподвижным осям). Во многих случаях возникает необходимость определить относительное движение, отнесенное к системе отсчета, движущейся по отношению к неподвижным осям.
Относительное движение точки по отношению к подвижной системе отсчета может рассматриваться как абсолютное движение, и обладает всеми свойствами абсолютного движения.
Движение можно рассматривать в разных системах отсчета. Выбор системы отчета диктуется удобством: ее нужно выбрать так, чтобы изучаемое движение и его закономерности выглядели по возможности проще. Для перехода от одной системы отсчета к другой необходимо знать, какие характеристики движения изменяются и каким образом, а какие остаются неизменными.
Исходя из опытов можно утверждать, что при рассмотрении движений, происходящих со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, время неизменно во всех системах отсчета, что означает, что при измерении в любой системе отсчета промежуток времени между двумя событиями одинаков.
Что же касается пространственных характеристик, то положение тела изменяется при переходе к другой системе отсчета, однако при этом не меняется пространственное расположение этих двух событий.
Теперь рассмотрим изменение скорости движения тел при переходе от одной системы отсчета к другой, которая движется относительно первой.
Рассмотрим пример переправы на пароме, движущемся поступательно относительно берегов (относительно земли). Вектор перемещения пассажира относительно берегов обозначим через Δr, а относительно парома – через Δr´. Перемещение парома относительно земли за то же время Δt обозначим через ΔR. В этом случае
Разделим равенство почленно на промежуток времени Δt, в течение которого произошли эти перемещения. Перейдя к пределу Δt >0, получим аналогичное соотношение для скоростей:
Из формулы (2) следует, что относительная скорость двух тел одинакова во всех системах отсчета. При переходе к новой системе отсчета к скорости каждого тела прибавляется один и тот же вектор V скорости системы отсчета. Поэтому разность векторов скоростей тел υ – υ´ не изменяется. Относительная скорость тел абсолютна.
Абсолютная, относительная и переносная скорости
В физике, при рассмотрении нескольких систем отсчёта (СО) возникает понятие сложного движения — когда материальная точка движется относительно какой-либо системы отсчёта, а та, в свою очередь, движется относительно другой системы отсчёта. При этом возникает вопрос о связи движений точки в этих двух СО.
Обычно выбирают одну из СО за базовую («абсолютную»), другую называют «подвижной» и вводят следующие термины:
Также вводятся понятия соответствующих скоростей и ускорений. Например, переносная скорость — это скорость точки, обусловленная движением подвижной системы отсчёта относительно абсолютной. Другими словами, это скорость точки подвижной системы отсчёта, в данный момент времени совпадающей с материальной точкой.
Оказывается, что при получении связи ускорений в разных системах отсчёта возникает необходимость ввести ещё одно ускорение, обусловленное вращением подвижной системы отсчёта:
В дальнейшем рассмотрении, базовая СО предполагается инерциальной, а на подвижную никаких ограничений не накладывается.
Содержание
Классическая механика
Кинематика сложного движения точки
Скорость
Основные задачи кинематики сложного движения заключаются в установлении зависимостей между кинематическими характеристиками абсолютного и относительного движений точки (или тела) и характеристиками движения подвижной системы отсчета, то есть переносного движения. Для точки эти зависимости являются следующими: абсолютная скорость точки равна геометрической сумме относительной и переносной скоростей, то есть
.
Ускорение
Связь ускорений можно найти путём дифференцирования связи для скоростей, не забывая, что координатные векторы подвижной системы координат также могут зависеть от времени.
Абсолютное ускорение точки равно геометрической сумме трёх ускорений — относительного, переносного и кориолисова, то есть
.
Кинематика сложного движения тела
Для твёрдого тела, когда все составные (то есть относительные и переносные) движения являются поступательными, абсолютное движение также является поступательным со скоростью, равной геометрической сумме скоростей составных движений. Если составные движения тела являются вращательными вокруг осей, пересекающихся в одной точке (как, например, у гироскопа), то результирующее движение также является вращательным вокруг этой точки с мгновенной угловой скоростью, равной геометрической сумме угловых скоростей составных движений. Если же составными движениями тела являются и поступательные, и вращательные, то результирующее движение в общем случае будет слагаться из серии мгновенных винтовых движений.
Рассчитать взаимосвязь скоростей разных точек твёрдого тела в разных системах отсчёта можно с помощью комбинирования формулы сложения скоростей и формулы Эйлера для связи скоростей точек твёрдого тела. Связь ускорений находится простым дифференцированием полученного векторного равенства по времени.
Динамика сложного движения точки
При рассмотрении движения в неинерциальной СО нарушаются первые 2 закона Ньютона. Чтобы обеспечить формальное их выполнение, обычно вводятся дополнительные, фиктивные (не существующие на самом деле), силы инерции: центробежная сила и сила Кориолиса. Выражения для этих сил получаются из связи ускорений (предыдущий раздел).
Релятивистская механика
Скорость
При скоростях, близких к скорости света, преобразования Галилея не являются точно инвариантными и классическая формула сложения скоростей перестаёт выполняться. Вместо этого, инвариантными являются преобразования Лоренца, а связь скоростей в двух инерциальных СО получается следующей: 
в предположении, что скорость 
направлена вдоль оси х системы S. Легко убедиться, что в пределе нерелятивистских скоростей преобразования Лоренца сводятся к преобразованиям Галилея.
Однако вводится величина — быстрота — которая аддитивна при переходе от одной СО к другой.
Неинерциальные СО
Связь скоростей и ускорений в системах отсчёта, движущихся друг относительно друга ускоренно, является значительно более сложной и определяется локальными свойствами пространства в рассматриваемых точках (зависит от производной тензора Римана).
Относительная скорость
Относительная скорость – скорость объекта В относительно А. Отображается как vAB, где А – скорость в покое В.
Галилей наблюдал концепцию сложного движения при помощи мухи и лодки. Он заметил: на борту лодки можно измерить скорость полета мухи (u). Затем можно вернуться на землю и вычислить скорость лодки (v). Но является ли скорость u фактической? Нет, потому что вы вычисляли скорость относительно лодки. Чтобы получить скорость относительно берега (s), можно использовать векторную сумму: s = u + v.
Примеры относительной скорости
Давайте рассмотрим примеры относительной скорости. Вообразите, что сидите в пассажирском поезде, отправляющимся в восточном направлении. Если посмотреть в окно и увидеть, что человек идет в ту же сторону, то покажется, что он перемещается намного медленнее. А теперь покинем поезд и посмотрим на мужчину снаружи. Сейчас кажется, что он идет вдвое быстрее, чем раньше.
Переместимся в лодку. На берегу человек шагает от одного бревна к другому. Скорость относительно берега будет обычной и ничем не выделяться. Но теперь вы оказались на берегу, а человек идет между двумя точками, но по движущейся лодке. Кажется, что его скорость намного быстрее.
Как так? Относительная скорость связана с системой координат. В случае с поездом, она двигалась в ту же сторону, что и человек, поэтому вызывала эффект замедления. Однако в неподвижной точке фиксируется реальный показатель. То же самое повторяется и с примером в лодке.
СОДЕРЖАНИЕ
Классическая механика
В одном измерении (нерелятивистском)
В двух измерениях (нерелятивистских)
На рисунке показаны два объекта A и B, движущиеся с постоянной скоростью. Уравнения движения:
После замены и имеем: v → А | C знак равно v → А <\ displaystyle <\ vec 
v → B | C знак равно v → B <\ displaystyle <\ vec
Преобразование Галилея (нерелятивистское)
Чтобы построить теорию относительного движения, совместимую со специальной теорией относительности, мы должны принять другое соглашение. Продолжая работать в (нерелятивистском) ньютоновском пределе, мы начнем с преобразования Галилея в одном измерении:
где последняя форма имеет желаемую (легко усваиваемую) симметрию.
Специальная теория относительности
Это своеобразное отсутствие симметрии связано с прецессией Томаса и тем фактом, что два последовательных преобразования Лоренца вращают систему координат. Это вращение не влияет на величину вектора, и, следовательно, относительная скорость симметрична.
‖ v → B | А ‖ знак равно ‖ v → А | B ‖ знак равно v B | А знак равно v А | B <\ displaystyle \ | <\ vec
Параллельные скорости
В случае, когда два объекта движутся в параллельных направлениях, релятивистская формула для относительной скорости аналогична по форме формуле для сложения релятивистских скоростей.
Относительная скорость определяется по формуле:
Перпендикулярные скорости
В случае, когда два объекта движутся в перпендикулярных направлениях, релятивистская относительная скорость определяется формулой: v → B | А <\ displaystyle <\ vec
Относительная скорость определяется формулой
Общий случай
Общая формула для относительной скорости объекта или наблюдателя B в системе покоя другого объекта или наблюдателя A дается формулой: v → B | А <\ displaystyle <\ vec
Относительная скорость определяется формулой
Относительность механического движения
теория по физике 🧲 кинематика
Под относительностью понимают зависимость чего-либо от выбора системы отсчета. Так, покой и движение тела, его положение в пространстве всегда относительны. Человек, сидящий внутри движущегося автомобиля, покоится относительно этого автомобиля. Но относительно предметов снаружи он движется с некоторой скоростью.
Относительность перемещения
Чтобы применять правило сложения перемещений, нужно уметь складывать вектора.
Пример №1. Человек прошел в автобусе 2 метра в направлении заднего выхода. За это же время автобус успел переместиться относительно остановки на 10 м. Найти перемещение человека относительно автобусной остановки.
Так как человек двигался в сторону конца автобуса, он двигался противоположно его движению. В этом случае его перемещение будет равно модулю разности перемещений, совершенных человеком относительно автобуса и автобусом относительно остановки:
Относительность скорости в ПСО и НСО
Складывая векторы скоростей, нужно пользоваться правилами сложения векторов.
Пример №2. Моторная лодка должна пересечь реку, скорость течения которой равна 5 км/ч, по кратчайшему пути. Собственная скорость лодки равна 10 км/ч. Определить, под каким углом к берегу должна быть направлена лодка, чтобы она не отклонялась от кратчайшего пути.
Кратчайшим путем между двумя параллельными линиями является отрезок, заключенный между этими линиями при условии, что он лежит на прямой, пересекающей эти линии под прямым углом. На рисунке этот путь отметим отрезком АВ.
Лодка движется прямолинейно. Поэтому направление ее скорости относительно берега совпадает с направлением перемещения:
Векторы скоростей образуют прямоугольный треугольник, и собственная скорость лодки направлена к берегу под некоторым углом α. Косинус этого угла равен отношению прилегающего катета (скорости лодки относительно реки) к гипотенузе (скорости течения реки):
Косинусу 0,5 соответствует угол, равный 60 градусам.
Относительная скорость двух тел
Понятие относительной скорости вводится, когда рассматривается движение двух тел относительно друг друга внутри одной и той же системы отсчета (СО). Примером служат два движущихся автомобиля, в то время как их движение рассматривается относительно неподвижного объекта.
Относительная скорость равна векторной разности скоростей первого и второго тела относительно СО:
v отн — относительная скорость, или скорость первого тела относительно второго, v 1 и v 2 — скорость первого и второго тела относительно СО.
Варианты обозначения относительной скорости и их проекций:
Для вычисления относительной скорости движения тела важно уметь применять правила вычитания векторов.
Пример №3. Два автомобиля движутся противоположно друг другу. Скорость первого автомобиля относительно дороги равна 100 км/ч. Скорость второго автомобиля относительно первого равна 180 км/ч. Найти модуль скорости второго автомобиля относительно дороги.
Так как автомобили движутся в противоположном направлении, относительная скорость равна сумме скоростей первого и второго автомобиля. Поэтому скорость второго равна разности относительной скорости и скорости движения второго тела, которым в данном случае является первый автомобиль:
Скорость второго автомобиля относительно дороги равна 80 км/час.
Правила сложения векторов
| Сложение двух сонаправленных векторов | |
 | Суммой двух сонаправленных векторов является вектор, направленный в ту же сторону. Его длина равна сумме длин слагаемых векторов: c = a + b. |
| Сложение двух противоположно направленных векторов | |
 | Суммой двух противоположно направленных векторов является вектор, направленный в сторону большего по модулю вектора. Его длина равна модулю разности длин слагаемых векторов: c = |a – b|. |
| Сложение двух векторов, расположенных друг к другу под углом | |
| Суммой двух векторов, расположенных друг к другу под углом является вектор, направление которого определяется графически методом треугольника или параллелограмма. Его длина зависит от величины угла, под которым расположены два слагаемых векторов. | |
 | Если слагаемые векторы перпендикулярны, для вычисления длины вектора их суммы используется теорема Пифагора:  . |
 | |
 | Если слагаемые векторы расположены под тупым углом α, для вычисления длины вектора их суммы используется теорема косинусов:  . |
 | Если слагаемые векторы расположены под острым углом α, для вычисления длины вектора их суммы используется теорема косинусов:  . |
Правила вычитания векторов
Эта таблица иллюстрирует правила вычитания векторов на примере векторов 
Результатом их вычитания является вектор 
.
Алгоритм решения
Решение
Записываем данные относительно Земли:
Изображаем графическую модель ситуации. Так как у второго автомобиля перед вектором скорости стоит знак «–», первый и второй автомобили движутся во взаимно противоположных направлениях.
Записываем закон сложения скоростей в векторном виде:
v ′ — скорость второго автомобиля относительно оси ОХ ( v 2), v — скорость второго автомобиля относительно системы отсчета, связанной с первым автомобилем, u — скорость движения первого автомобиля относительно оси ОХ ( v 1).
Закон сложения скоростей в векторном виде применительно к условиям задачи будет выглядеть так:
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Записываем закон сложения скоростей в векторном виде:
v ′ — скорость автомобиля относительно земли ( v 1), v — скорость второго автомобиля относительно системы отсчета, связанной со вторым автомобилем, u — скорость движения второго автомобиля относительно земли ( v 2). По условию задачи в качестве системы отсчета нужно выбрать второй автомобиль. Так как система отсчета, связанная со вторым автомобилем, и первый автомобиль движутся в одном направлении, классический закон сложения скоростей в скалярном виде будет выглядеть так:
Отсюда скорость первого автомобиля в системе отсчёта, связанной со вторым автомобилем:
По условию задачи ответом должен быть модуль этой скорости. Модуль числа 50 есть 50.Ответ: 50
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить