حرکت یکنواخت

هر سال تابستانْ به انتها نرسیده، بار و بندیل می‌بستیم و با اتوبوس راهی روستای پدری می‌شدیم. صندلی کنار پنجره‌ی اتوبوس همیشه مال من بود. تابلوهایِ سبز کیلومترشمار کنارِ جاده  یکی از سرگرمی‌های جذاب من بود. تابلوها با من که برای رسیدن لحظه‌شماری می‌کردم،در شمارش زمان و مکان همراه می‌شدند.

روی تابلوی سبزی نوشته بود 250 کیلومتر، سریع به سمت پدرم برگشتم و پرسیدم: «ساعت چند است؟» زمان و فاصله را به خاطر سپردم. با حرکت کوه‌ها و بیابان‌ها در خلاف جهت حرکتمان خودم را سرگرم کردم تا دوباره تابلو سبز را دیدم. نوشته بود 150 کیلومتر. مچ پدرم را به سمت خودم کشیدم و ساعتش را نگاه کردم. با سرخوشی از کشفی بزرگ گفتم: «هر یک ساعت، صد کیلومتر داریم می‌ریم. یعنی یک ساعت و نیم دیگه می‌رسیم». من متوجه حرکت یکنواخت اتوبوس شده بودم. برای همین با فرض ثابت بودن سرعت اتوبوس، توانسته بودم زمان رسیدن تا مقصد را حساب کنم.

در واقع اتوبوس در امتداد جاده، مسافتی مشخص را در مدت زمانی معین طی می‌کرد. جسم متحرکی که دارای چنین ویژگی باشد، حرکتش یکنواخت و با سرعت ثابت است.

حرکت با سرعت ثابت یکی از انواع حرکت بر خط راست است. در این مقاله نمونه‌هایی از حرکت یکنواخت را در زندگی روزمره برای آشنایی با ویژگی‌های این حرکت، معادلات و نمودارهای حرکت با سرعت ثابت مورد بررسی قرار می‌دهیم.

حرکت یکنواخت چیست؟

حرکت یکنواخت نوعی حرکت است که در آن یک جسم متحرک در یک مسیر مستقیم با سرعت ثابت حرکت می‌کند. ویژگی‌های حرکت یکنواخت را چنین می‌توان بیان کرد:

• سرعت ثابت؛ سرعت جسم در طول حرکت آن بدون تغییر باقی می‌ماند و سرعت در هر لحظه برابر سرعت متوسط جسم است.
• مسیر مستقیم؛ حرکت یک نواخت در امتداد مسیری مستقیم و بدون تغییر جهت رخ می دهد.
• شتاب صفر؛ در حرکت یکنواخت اندازه‌ی سرعت ثابت است، یعنی هیچ افزایش یا کاهش سرعتی رخ نمی‌دهد. بنابراین شتاب متحرک صفر است.
• پیمایش مسافت‌های برابر؛ در حرکت یکنواخت چون اندازه و جهت سرعت تغییر نمی‌کند، جسمِ متحرک مسافت‌های برابر را در فاصله‌های زمانی برابر طی می‌کند.
• برابری جابه‌جایی و مسافت طی شده؛ در حرکت یکنواخت، چون جسم تغییر جهت نمی‌دهد، مسافت طی شده همواره با جابه‌جایی برابر است.
• نیروی اضافی لازم نیست؛ در حرکت یکنواخت چون متحرک شتاب ندارد، بنابر قانون دوم نیوتن، برآیند نیروهای وارد بر جسم صفر است. بنابراین طبق قانون اول نیوتن جسم برای ادامه‌ی حرکت خود با سرعت ثابت، به نیروی اضافه‌ای نیاز ندارد.

نمودارهای حرکت یکنواخت

تحلیل نموداری، ابزاری قدرتمند در فیزیک است که برای تجسم و درک رفتار اجسام در حال حرکت استفاده می‌شود. تحلیل نموداری در این حرکت نیز، اطلاعاتی درباره‌ی مکان و تغییر مکان، سرعت و شتاب یک جسم طی زمان ارائه می‌دهد.

نمودار مکان- زمان

در نمودار مکان – زمان، این حرکت با یک خط راست با شیب ثابت نشان داده می‌شود. شیب نمودار مکان – زمان بیانگر سرعت جسم است که مقدار ثابتی دارد. شیب تندتر نشان دهنده سرعت بالاتر و شیب ملایم‌تر نشان دهنده‌ی سرعت پایین‌تر است. ابتدای نمودار روی محور x مکان اولیه‌ی جسم متحرک را نشان می‌دهد.

نمودار سرعت- زمان

در این حرکت، نمودار سرعت – زمان، به صورت یک خط افقی موازی با محور زمان که نشان دهنده سرعت ثابت است رسم می‌شود.

نمودار شتاب زمان

در حرکت به صورت یکنواخت، نمودار شتاب زمان یک خط افقی روی محور زمان است، که نشان دهنده‌ی شتاب صفر در این حرکت است.

نمونه‌هایی از حرکت از نوع یکنواخت در زندگی روزمره

اتومبیل در حال حرکت در بزرگراه

اتومبیلی که با سرعت ثابت در یک بزرگراه مستقیم حرکت می‌کند، دارای حرکت یکنواخت است. اگر خودرو برای 2 ساعت سرعت 80 کیلومتربر ساعت را حفظ کند، مسافتی معادل 160 کیلومتر را طی خواهد کرد. سرعت خودرو در حالی که در یک خط مستقیم بدون هیچ تغییر سرعت یا جهتی حرکت می کند، ثابت باقی می‌ماند.

قطار در حال حرکت روی ریل راه‌آهن

قطاری که با سرعت ثابتی در امتداد خط راه‌آهن مستقیم حرکت می‌کند، نمونه‌ای از این نوع حرکت است. فرض کنید قطار برای 3 ساعت سرعت 100 کیلومتر بر ساعت را حفظ کند. در طول این مدت، مسافت کلی 300 کیلومتر را طی می‌کند و در طول مسیر سرعت ثابتی را حفظ می‌کند.

محاسبه سرعت در حرکت یکنواخت

در حرکت یکنواخت، سرعت در طول زمان ثابت باقی می‌ماند. برای محاسبه‌ی سرعت، کافی‌ست مسافت کل طی شده را بر مدت زمان حرکت تقسیم کنید. با توجه به ماهیت برداری سرعت، اگر متحرک در جهت محور x حرکت کند، سرعت آن مثبت و اگر خلاف جهت محور x حرکت کند مقدار آن منفی خواهد بود.

محاسبه مسافت در حرکت یکنواخت

در حرکت یکنواخت، اندازه‌ی مسافت یا جابه‌جایی از حاصل‌ضرب سرعت متحرک در مدت زمان جابه‌جایی به دست می‌آید.

معادله حرکت یکنواخت

برای بررسی حرکت جسمی با سرعت ثابت می‌توان از معادله حرکت یکنواخت استفاده کرد. با توجه به ویژگی این حرکت، این معادله خطی و درجه یک است. از معادله‌ی حرکت یکنواخت می‌توان برای تعیین مکان جسم در هر لحظه، تعیین مقدار و جهت سرعت و همچنین زمانی که متحرک از مبدأ مکان عبور می‌کند، استفاده کرد.

کاربردهای حرکت یکنواخت

در اینجا برخی از رایج‌ترین کاربردهای حرکت یکنواخت آورده شده است:

1. برنامه‌ریزی حمل‌ونقل؛ در برنامه‌ریزی حمل و نقل، از مفاهیم حرکت یکنواخت برای تعیین محدودیت سرعت و طراحی الگوهای ترافیک، برای بهبود ایمنی و کارایی جاده استفاده می‌شود.
2. ستاره‌شناسی؛ ستاره‌شناسان از اصول حرکت یک نواخت، برای محاسبه مدار سیارات و ماهواره‌ها استفاده می‌کنند و مدل‌های مکانیک آسمانی را ساده می‌کنند.
3. آموزش فیزیک؛ در بخشی از فصل اول فیزیک سال دوازدهم ریاضی و تجربی، به بررسی و شناخت حرکت یک نواخت، به عنوان یکی از انواع حرکت پرداخته می‌شود. در بخش حرکت یکنواخت فیزیک 3، دانش‌آموزان با اصول اولیه حرکت با سرعت ثابت آشنا می‌شوند.
4. علوم ورزشی؛ در علوم ورزشی، تجزیه و تحلیل حرکت یکنواخت ورزشکاران، به ایجاد استراتژی برای بهبود عملکرد در رشته‌هایی مانند دومیدانی کمک می‌کند.
5. مهندسی مکانی؛ مهندسان مکانیک، قطعات ماشین آلات را برای حرکت با سرعت ثابت طراحی می‌کنند، تا اطمینان حاصل شود که عملکرد آنها روان و قابل پیش‌بینی است.
6. ناوبران و نقشه‌برداران؛ ناوبران و نقشه‌برداران، برای ترسیم مسیرهای مستقیم برای کشتی‌ها و هواپیماها، به مفروضات حرکت یکنواخت تکیه می‌کنند تا محاسبات مسافت و زمان را ساده‌سازی کنند.
7. انیماتورها و توسعه دهندگان بازی‌های ویدیویی؛ انیماتورها و توسعه دهندگان بازی‌های ویدیویی برای ایجاد حرکات واقع‌گرایانه در انیمیشن‌ها و بازی‌های ویدیویی، از حرکت یکنواخت برای شبیه‌سازی بهره می‌گیرند.
8. سیستم‌های رباتیک؛ سیستم‌های رباتیک اغلب از حرکت یکنواخت برای فرآیندهای خودکار ساده و کارآمد در بخش‌های تولید و خدمات استفاده می‌کنند.

تفاوت حرکت یکنواخت و غیریکنواخت

حرکت یک نواخت با سرعت و جهت ثابت مشخص می شود، در حالی که حرکت غیر یکنواخت شامل تغییرات سرعت و یا جهت در طول زمان است. جدول زیر مقایسه‌ای بین حرکت یکنواخت و غیریکنواخت است:

سوالات متداول در مورد حرکت از نوع یکنواخت

حرکت یکنواخت چیست؟

نوعی از حرکت است، که در آن یک جسم با سرعت ثابت در یک خط مستقیم، حرکت می‌کند. این بدان معناست، که متحرک، مسافت‌های برابر را در فاصله‌های زمانی برابر طی می‌کند؛ بدون اینکه جهت یا سرعت خود را تغییر دهد.

تفاوت حرکت یکنواخت با حرکت غیریکنواخت چگونه است؟

تفاوت کلیدی بین حرکت یکنواخت و غیر یکنواخت در سرعت جسم نهفته است. در حرکت یکنواخت، سرعت ثابت است؛ به این معنی که جسم شتاب نمی‌گیرد. در حرکت غیر یکنواخت، سرعت جسم در طول زمان تغییر می‌کند، که نشان دهنده وجود شتاب یعنی افزایش یا کاهش سرعت است.

آیا می توانید نمونه‌هایی از حرکت یکنواخت را ارائه دهید؟

اتومبیلی که با سرعت ثابت در یک بزرگراه مستقیم حرکت می کند، قطاری که با سرعت ثابت روی خط آهن حرکت می‌کند و با دونده‌ای که با سرعث ثابت در حال حرکت است.

چگونه سرعت را در حرکت یکنواخت محاسبه کنیم؟

در این حرکت، اندازه‌ی مسافت یا جابه‌جایی از حاصلضرب سرعت متحرک در مدت زمان جابه‌جایی به دست می‌آید.

شتاب در حرکت یک نواخت چه نقشی دارد؟

شتاب در حرکت یکنواخت صفر است. از آنجایی که جسم با سرعت ثابت و در یک خط مستقیم حرکت می‌کند، شتاب نمی‌گیرد. شتاب فقط زمانی وارد عمل می‌شود که سرعت جسم تغییر کند.

حرکت یک نواخت چگونه روی نمودار نشان داده می شود؟

این حرکت در نمودار مکان – زمان زمان با یک خط راست نشان داده می شود. این خط دارای شیب ثابتی است که نشان دهنده سرعت ثابت است. در نمودار سرعت – زمان، حرکت یکنواخت به صورت یک خط افقی با محور زمان نشان داده می‌شود که نشان می دهد سرعت در طول زمان ثابت باقی می‌ماند.

در آخر می‌توان گفت برای طبقه بندی انواع حرکت از سه مفهوم مهم سرعت، مسافت و زمان استفاده می‌شود. حرکت را می‌توان بر اساس زمان و مسافت طی شده، یکنواخت یا غیریکنواخت تعریف کرد. زمانی جسم دارای حرکت یکنواخت و یا به عبارتی حرکت با سرعت ثابت است که در یک جهت خاص و در فواصل زمانی منظم مسافت‌های یکسانی را طی کند.