Скорость как физическая величина¶

Скорость — физическая величина, характеризующая быстроту изменения положения тела в пространстве с течением времени. В классической механике скорость определяется как векторная величина, равная отношению перемещения тела к промежутку времени, за который это перемещение произошло. В Международной системе единиц (СИ) скорость измеряется в метрах в секунду (м/с). Наряду с ускорением и перемещением скорость относится к основным кинематическим характеристикам движения.

¶Определение и математическая запись

Средняя скорость на участке пути определяется как отношение пройденного пути ко времени движения:

v = s / t,

где v — средняя скорость, s — путь, t — время. Мгновенная скорость представляет собой предел отношения перемещения к промежутку времени при стремлении последнего к нулю, то есть производную радиус-вектора по времени:

v = dr / dt.

Вектор мгновенной скорости направлен по касательной к траектории движения в данной точке. Модуль скорости (её численное значение) называют просто скоростью в бытовом и техническом употреблении.

¶Единицы измерения

Основная единица скорости в СИ — метр в секунду. Применяются и производные единицы:

В астрономии и физике элементарных частиц используются километры в секунду и доли скорости света. В повседневной жизни в России распространена единица километр в час, в том числе на дорожных знаках и в показаниях спидометров автомобилей.

¶Виды скорости в механике

В кинематике различают несколько понятий:

• Средняя путевая скорость — отношение всего пройденного пути ко всему времени движения; всегда неотрицательна.
• Средняя скорость перемещения — отношение вектора перемещения к времени; может быть равна нулю, если тело вернулось в исходную точку.
• Мгновенная скорость — скорость в конкретный момент времени.
• Линейная и угловая скорость — при вращательном движении линейная скорость точки связана с угловой соотношением v = ωr, где ω — угловая скорость, r — радиус вращения.

¶Сложение скоростей

При рассмотрении движения в разных системах отсчёта применяется правило сложения скоростей. В классической механике (преобразования Галилея) скорости складываются векторно: скорость тела относительно неподвижной системы отсчёта равна сумме его скорости относительно подвижной системы и скорости самой подвижной системы. В релятивистской механике при скоростях, близких к скорости света, используется релятивистский закон сложения, согласно которому результирующая скорость не может превысить скорость света в вакууме.

¶Скорость света и предельная скорость

Скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, равная приблизительно 299 792 458 м/с. Согласно специальной теории относительности, это предельная скорость распространения любых взаимодействий и сигналов. С приближением скорости тела к скорости света его масса (в релятивистском смысле) и энергия возрастают, а ход собственного времени замедляется. Эти эффекты подтверждены экспериментально, в том числе в ускорителях элементарных частиц.

¶Скорости в природе и технике

Диапазон скоростей, наблюдаемых в природе, огромен:

• Пешеход движется со скоростью около 1,4 м/с (5 км/ч).
• Автомобиль на трассе — 90–110 км/ч, спортивные модели развивают свыше 400 км/ч.
• Пассажирский самолёт — около 900 км/ч, сверхзвуковые — свыше 2000 км/ч.
• Космические аппараты при выходе на орбиту достигают первой космической скорости (около 7,9 км/с), для преодоления земного притяжения — второй (11,2 км/с).
• Скорость света превышает все перечисленные значения на порядки.

В биологии различают скорость проведения нервного импульса (до 120 м/с у теплокровных), скорость кровотока, скорость роста организмов. В экономике и технике термин применяется к процессам обработки данных, передачи информации и производства.

¶Измерение скорости

Для измерения скорости применяются различные приборы и методы:

• Спидометр — механический или электронный прибор в транспортных средствах.
• Радар — используется дорожными службами для контроля скорости движения.
• Доплеровский измеритель — основан на изменении частоты отражённого сигнала.
• Хронометраж — определение скорости по пройденному расстоянию и времени.

В научных исследованиях скорость частиц измеряют по времени пролёта, по отклонению в магнитном поле, с помощью черенковских детекторов.

¶Значение понятия

Скорость — одно из базовых понятий не только физики, но и смежных дисциплин. В механике она лежит в основе законов Ньютона и законов сохранения, в астрономии определяет орбитальное движение небесных тел, в технике — режимы работы машин и механизмов. В переносном смысле слово «скорость» употребляется для характеристики быстроты протекания любых процессов — от химических реакций до социальных изменений.

Источники: учебники по общей физике, справочные данные по системе СИ, материалы по специальной теории относительности.