Vectơ và chuyển động 2D - Vật Lý Học Tập 4 | Tri thức nhân loại Trong toán học, vật lý và kỹ thuật, véctơ (tiếng Anh: vector hay Hán-Việt: hướng lượng) là một đoạn thẳng có hướng. Đoạn thẳng này biểu thị phương, chiều, độ lớn (chiều dài của vectơ). Ví dụ trong mặt phẳng cho hai điểm phân biệt A và B bất kì ta có thể xác định được vectơ.
Một vectơ là những gì cần thiết để "mang" điểm A đến điểm B; từ "vector" trong tiếng Latin có nghĩa là "người vận chuyển", lần đầu tiên được sử dụng bởi các nhà thiên văn học thế kỷ 18 trong cuộc cách mạng khảo sát các hành tinh quay quanh Mặt trời. Độ lớn của vectơ là khoảng cách giữa 2 điểm và hướng dịch chuyển từ điểm A đến điểm B. Nhiều phép toán đại số trên các số thực như cộng, trừ, nhân và phủ định có sự tương tự gần gũi với vectơ, phép toán tuân theo các quy luật đại số quen thuộc của giao hoán, kết hợp và phân phối. Mỗi vectơ là một phần tử trong không gian vectơ, được xác định bởi ba yếu tố: điểm đầu (hay điểm gốc), hướng (gồm phương và chiều) và độ lớn (hay độ dài). Ví dụ, đoạn thẳng AB có điểm gốc là A, hướng từ A đến B được gọi là vectơ AB. Vectơ hướng từ A đến B Trong giải tích, một vectơ trong không gian Euclid Rn là một bộ n số thực (x1, x2,..., xn).
Có thể hình dung một vectơ trong không gian Rn là đoạn thẳng có hướng (thường vẽ theo hình mũi tên), đuôi ở gốc tọa độ 0, mũi ở điểm (x1, x2,..., xn).
Vectơ đóng vai trò quan trọng trong ngành vật lý học: vận tốc, gia tốc của một vật và lực tác động lên nó có thể được biểu diễn bằng vectơ.
Vector và Chuyển động 2D
Vật lý học, tập 4
Cho đến nay, chúng ta đã dành rất nhiều thời gian để dự đoán chuyển động.
Mọi thứ đang ở đâu?
Chúng đang đi đâu?
Và chúng sẽ đến đó nhanh như thế nào?
Nhưng vẫn thiếu một thứ gì đó.
Và hôm nay, chúng ta sẽ giải quyết vấn đề đó.
Chúng ta đã nói về những gì sẽ xảy ra
khi bạn làm những việc như ném quả bóng lên không trung
hoặc lái xe ô tô xuống một con đường thẳng.
Loại chuyển động đó khá đơn giản
bởi vì chỉ có một trục liên quan.
Xe tăng tốc tiến hoặc lùi.
Quả bóng đang di chuyển lên hoặc xuống.
Không có chiều thứ 2 lộn xộm nào để cạnh tranh.
Nhưng đây là vật lý.
Chúng ta có thể đơn giản hóa các phép tính rất nhiều lần.
Nhưng chúng ta vẫn muốn mô tả thế giới thực
một cách tốt nhất có thể.
Và trong cuộc sống thật,
khi bạn cần nhiều hơn một hướng,
bạn sẽ chuyển sang Vector.
Giả sử chúng ta có một máy ném bóng
giống như bạn dùng để luyện tập bóng chày.
Chúng ta sẽ sử dụng nó rất nhiều trong tập này.
Vì vậy, chúng ta cũng có thể làm quen với cách hoạt động của nó.
Chúng ta có thể cho máy ăn nhiều quả bóng chày
và yêu cầu nó nhổ chúng ra
ở bất kỳ tốc độ nào chúng ta muốn,
lên đến 50m trên dây.
Chiều cao ném bóng có thể điều chỉnh
và chúng ta có thể xoay nó theo chiều dọc.
Vì vậy, bóng có thể được tung ra ở mọi góc độ.
Nó cũng có một cài đặt ngẫu nhiên.
Trong đó, máy tự chọn tốc độ,
chiều cao hoặc góc của bóng.
Bỗng nhiên, chúng ta có nhiều lựa chọn hơn
là chỉ ném một quả bóng thẳng lên không trùng.
Và bây giờ, quả bóng có thể
theo chiều ngang và chiều dọc.
Trước đây, chúng ta có thể sử dụng
các phương trình gia tốc
để mô tả chuyển động thẳng đứng hoặc nằm ngang.
Nhưng chúng ta chưa bao giờ sử dụng
cả hai phương trình này cùng một nút.
Và chúng ta cũng sẽ không làm điều đó ngày hôm nay.
Thay vào đó, chúng ta sẽ chia
chuyển động của quả bóng thành hai phần.
Chúng ta sẽ nói về những gì đang xảy ra
theo chiều ngang và chiều dọc,
nhưng hoàn toàn riêng biệt.
Và chúng ta sẽ làm điều đó
với sự trợ giúp của vector.
Vector, giống như các số thông thường,
còn được gọi là số vô hướng, scalar,
bởi vì chúng có độ lớn.
Nhưng vector cũng có một đặc điểm khác,
đó là hướng.
Chúng ta có thể đã nói rằng
vận tốc của một quả bóng là 5m trên dây.
Và giả sử chúng ta chọn hướng xuống
theo chiều dương,
chúng ta sẽ biết rằng quả bóng đang rơi xuống,
nên vận tốc của nó là dương.
Nói cách khác, chúng ta đã tính đến hướng đi.
Chúng ta chỉ có thể mô tả hướng đó
bằng cách sử dụng dương hoặc âm.
Vì vậy, chúng ta bị giới hạn
ở hai hướng dọc theo một trục.
Nhưng vector thay đổi tất cả những điều đó.
Bây giờ, thay vì chỉ có hai hướng,
chúng ta có thể nói về bất kỳ hướng nào.
Có thể hữu ích khi nghĩ về một vector
giống như một mũi tên trên bản đồ kho bóng.
Bạn có thể vẽ một mũi tên
biểu thị 5 km trên bản đồ
và độ dài đó sẽ là độ lớn của vector.
Nhưng bạn cần chỉ nó theo một hướng cụ thể
để cho mọi người biết nơi tìm kho bóng.
Đó thực sự là cách các nhà vật lý
vẽ biểu đồ vector.
Bạn lấy hai trục thông thường của mình,
nhắm theo hướng của vector,
sau đó vẽ một mũi tên,
miễn là nó có độ lớn.
Giống như giả sử,
máy ném bóng của bạn phóng một quả bóng
ở góc 30 độ so với phương ngang,
với vận tốc đầu là 5m trên dây.
Chúng ta chỉ có thể vẽ nó
như một vector có độ lớn là 5
và hướng là 30 độ.
Giả sử người bắt bóng của bạn
không bắt bóng đúng cách
và làm rơi nó.
Sau đó, ngay trước khi nó chạm đất,
vận tốc của nó có thể là 3m trên dây
và hướng là 270 độ.
Chúng ta có thể vẽ như thế này.
Đó là lý do tại sao
vector rất hữu ích.
Bạn có thể mô tả
bất kỳ hướng nào bạn muốn.
Nhưng có một vấn đề.
Một vấn đề mà bạn có thể đã nhận thấy.
Bạn không thể chỉ cộng
hoặc nhân các vector này
giống như cách bạn làm
với các số bình thường,
bởi vì chúng không phải là số bình thường.
Để làm được điều đó,
chúng ta phải mô tả các vector khác nhau.
Khi bạn vẽ một vector,
nó rất giống cạnh huyền
của một tam giác vuông.
Độ lớn của vector cho bạn biết
độ dài của cạnh huyền đó.
Và bạn có thể sử dụng góc của nó
để vẽ phần còn lại của tam giác.
Hình tam giác vuông rất tuyệt như vậy.
Bạn chỉ cần biết
một thông số về nó,
chẳng hạn như độ dài của một cạnh
và độ của một góc,
là bạn đã có thể vẽ phần còn lại của nó.
Đó là lượng giác.
Kết nối các cạnh và góc
thông qua sinh và cosine.
Đó là lý do tại sao
bạn cũng có thể mô tả một vector
chỉ bằng cách biết độ dài
của hai cạnh khác còn lại.
Trên thực tế,
các nhà vật lý gọi các cạnh này là
các thành phần.
Vì vậy, hãy quay lại ví dụ
về máy ném bóng của chúng ta.
Ta đã nói rằng vector vận tốc đầu
của quả bóng có độ lớn là 5
và hướng là 30 độ so với phương ngang.
Chúng ta có thể vẽ ra
điều đó như thế này.
Đó là tất cả những gì
chúng ta cần làm.
Chiều dài của cạnh hoặc thành phần
nằm ngang đó phải là 5cos30
bằng 4,33.
Phép toán tương tự
cũng áp dụng cho cạnh thẳng đứng
chỉ với sinh cho cosine.
Vì vậy, chúng ta biết rằng
chỉ là 5sin30
tính ra là 2,5.
Vì vậy, vector của chúng ta
có thành phần ngang là 4,33
và thành phần dọc là 2,5.
Trong những gì được gọi là
ký hiệu vector đơn vị
Unit Vector Notation
chúng ta mô tả vector này
là V bằng 4,33I
cộng 2,5G.
Mỗi tên trên đầu V cho bạn biết
đó là một vector
và những chiếc mũ nhỏ trên đầu
của I và G cho bạn biết rằng
chúng là vector đơn vị
và chúng biểu thị hướng cho mỗi vector.
I có nghĩa là
hướng của cái mà chúng ta thường gọi là
trục X và G là trục Y.
Đôi khi bạn sẽ có
một cái khác, K,
đại diện cho trục Z.
Và nếu bạn muốn cộng
hoặc trừ hai vector,
điều đó cũng khá dễ dàng.
Chúng ta chỉ cần tách chúng thành
các thành phần của chúng
và cộng hoặc trừ từng thành phần riêng biệt.
Vì vậy, 2I cộng với 3G
được cộng vào 5I
cộng với 6G
sẽ bằng 7I cộng với 9G.
Và trong ví dụ,
âm 2I cộng với 3G
được cộng vào 5I trừ 6G
sẽ bằng 3I
trừ 3G.
Nhưng với một số vô hướng
cũng không phải là một vấn đề lớn.
Bạn chỉ cần nhân số lượng
với mỗi thành phần.
Ví dụ, 2I cộng với 3G
nhân 3 sẽ là 6I cộng với 9G.
Bản thân ký hiệu vector đơn vị
thực sự tận dụng
loại phép nhân này.
I, G và K
đều được gọi là vector đơn vị
vì chúng là vector
có độ dài chính xác một đơn vị.
Mỗi vector chỉ theo hướng
của một trụ khác nhau.
Vì vậy, khi bạn viết 2I,
chẳng hạn, bạn đang nói
hãy lấy vector đơn vị I
và làm cho nó dài gấp đôi.
Nhưng điều đó không giống như
nhân một vector với một vector khác.
Đó là một chủ đề
cho một tập phim khác.
Như vậy, bây giờ
chúng ta biết rằng một vector
có 2 phần, độ lớn
và hướng. 2 phần này
thường giúp mô tả một vector
dưới dạng các thành phần của nó.
Và khi bạn tách một vector
thành các thành phần của nó,
chúng thực sự hoàn toàn tách biệt.
Nói cách khác, việc thay đổi
vector ngang sẽ không ảnh hưởng đến
các thành phần dọc của nó và ngược lại.
Và chúng ta có thể kiểm tra
ý tưởng này khá dễ dàng.
Giả sử bạn có 2 quả bóng
và bạn buông chúng cùng một lúc
từ cùng một độ cao.
Nhưng với quả bóng A,
bạn nếm nó với một vận tốc ban đầu
theo phương thẳng đứng.
Còn với bóng B, bạn chỉ thả nó ra
để nó tự rơi.
Trong trường hợp này, quả bóng A
sẽ chạm đất trước vì bạn đã
cung cấp thêm lực đẩy cho nó.
Bây giờ, điều gì sẽ xảy ra
nếu bạn lặp lại thí nghiệm?
Nhưng lần này, bạn cho quả bóng A
một vận tốc nằm ngang
và vẫn chỉ thả quả bóng B xuống thẳng.
Quả bóng nào chạm đất trước?
Đó là một câu hỏi thú vị
vì chúng thực sự
hạ cánh cùng một lúc.
Không quan trọng bạn cung cấp cho
quả bóng A vận tốc ngang bao nhiêu.
Nó không chạm đất nhanh hơn nữa
vì vector chuyển động ngang của nó
không liên quan gì đến
chuyển động thẳng đứng của nó.
Với ý nghĩ này, hãy quay lại
với máy nếm bóng.
Chúng ta sẽ thiết lập
để nó nếm bóng theo chiều ngang
cách mặt đất chính xác 1m.
Sau đó, chúng ta phóng
một quả bóng. Giả sử rằng
mỗi quả bên phải đều dương.
Làm thế nào để chúng ta biết được
mất bao lâu để chạm đất?
Điều đó khá dễ dàng.
Chúng ta hoàn toàn bỏ qua thành phần
nằm ngang và sử dụng các phương trình
động học giống như cách chúng ta
đã sử dụng chúng trong các tập trước.
Trong trường hợp này,
phương trình chúng ta muốn
là phương trình mà chúng ta đã gọi là
phương trình đường cong dịch chuyển.
Chúng ta chỉ thêm các chỉ số Y
vào vận tốc và gia tốc
vì chúng ta đang nói cụ thể
về những tính chất đó theo hướng thẳng đứng.
Bây giờ,
chúng ta có thể bắt đầu cắm số.
Độ dịch chuyển của quả bóng
ở phía bên trái của phương trình
chỉ là âm 1m,
không có vận tốc ban đầu theo chiều dọc
vì máy đang hướng sang một bên
và gia tốc thẳng đứng
chỉ là lực hấp dẫn.
Bây giờ, tất cả những gì chúng ta phải làm
là giải thời gian T
và chúng ta biết rằng
quả bóng mất 0,452 giây
để chạm đất.
Chuyển động ngang của nó không ảnh hưởng đến
chuyển động thẳng đứng của nó
theo bất kỳ cách nào.
Nhưng đôi khi, mọi thứ trở nên
phức tạp hơn một chút.
Chẳng hạn như những củ ném bóng
mà máy đang phóng với vận tốc ban đầu
là 5m trên dây
nhưng ở góc 30 độ thì sao?
Dạ, chúng ta vẫn có thể nói riêng
về chuyển động dọc và ngang
của quả bóng.
Chúng ta chỉ cần tách vector vận tốc đó
thành các thành phần của nó.
Giống như chúng ta đã làm trước đó,
chúng ta có thể sử dụng lượng giác
để tính được vận tốc ban đầu
theo phương ngang
là 4,33m trên dây
và vận tốc ban đầu
theo phương thẳng đứng
là 2,5m trên dây.
Giờ đây, chúng ta đã được trang bị
để trả lời tất cả các loại câu hỏi
về chuyển động ngang
hoặc dọc của quả bóng.
Đây là một câu hỏi
Mất bao lâu để quả bóng
đạt điểm cao nhất?
Chúng ta đã biết điều quan trọng
về cực đại bí ẩn này.
Tại thời điểm cuối cùng,
vận tốc thẳng đứng của quả bóng phải bằng 0.
Đó là vì một điều
mà chúng ta đã nói trước đây.
Khi bạn đảo ngược hướng,
vận tốc của bạn phải bằng 0
ít nhất là trong một thời điểm đó
trước khi bạn quay ngược lại
theo hướng khác.
Vì vậy, trong trường hợp này,
chúng ta biết rằng vận tốc ban đầu
theo phương thẳng đứng của quả bóng
là 2,5m trên dây
và chúng ta biết rằng
vận tốc cuối cùng theo phương thẳng đứng
của nó tại điểm cao đó
là 0m trên dây.
Cuối cùng, chúng ta biết rằng
vận tốc thẳng đứng của nó
đến từ lực hấp dẫn.
Vì vậy, nó là 9,81m
trên dây bình phương.
Vì hướng lên là dương
và chúng ta đang tìm thời gian T.
May mắn thay, bạn biết rằng
có một phương trình động học
hoàn toàn phù hợp với tình huống này.
Đó là định nghĩa về gia tốc.
Bằng cách cắm vào
các con số này, chúng ta thấy rằng
quả bóng phải mất
0,255 giây để đạt độ cao
tối đa nó.
Vì vậy, việc mô tả chuyển động
theo nhiều chiều không thực sự khác biệt
hay phức tạp.
Bạn chỉ cần sử dụng sức mạnh của hình tam giác.
Trong tập này,
bạn đã học về vector,
cách phân giải chúng thành các thành phần
và cách cộng và trừ các thành phần đó.
Chúng ta cũng đã nói về
cách sử dụng các phương trình động học
để mô tả chuyển động
trong từng chiều riêng biệt.