במתמטיקה קו ישר נכתב כך:
$$y=mx+b$$
כל קו ישר מוגדר בעזרת שני נתונים, למשל שתי נקודות, או נקודה ושיפוע:
שיפוע הוא כמו תלילות של מדרגות: כמה עולים למעלה על כל מטר שמתקדמים קדימה. כדי לחשב אותו בוחרים שתי נקודות כלשהן על הקו (השיפוע זהה בכל מקום על קו ישר):
$$m=\frac{\Delta y}{\Delta x}$$
(\(\Delta\), האות היוונית דלתא, פירושה "הפרש".)
בפיזיקה לא קוראים לצירים x ו-y, כי בכל גרף הם מייצגים משהו אחר. ברוב הגרפים בפיזיקה הציר האופקי הוא הזמן \(t\) (בשניות). בגרף מהירות-זמן הציר האנכי הוא המהירות \(v\) (במטר לשנייה). לפעמים כותבים \(v(t)\), כדי שיהיה ברור שהמהירות מוצגת כפונקציה של הזמן.
בתנועה בתאוצה קבועה הגרף הוא קו ישר, והמשוואה שלו היא בדיוק המשוואה של קו ישר:
$$v=at+v_0$$
זה כמו משכורת: אם מרוויחים 10 שקלים לשעה ועובדים 3 שעות, מרוויחים 30 שקלים, ועוד מה שהיה בכיס מלכתחילה. באותו אופן: התאוצה כפול הזמן היא כמה מהירות נוספה, ועוד המהירות שהייתה בהתחלה.
הגרף והמשוואה מכילים בדיוק אותו מידע. אבל בגרף רואים בעין דברים שקשה לראות במשוואה. לדוגמה:
המידע השלישי שבגרף בולט פחות: השטח בין הגרף לציר הזמן הוא המרחק שהגוף עבר.
הכי קל לראות את זה כשהמהירות קבועה (איור 1 למטה). גוף שנע 5 שניות במהירות 3 מטר לשנייה מתקדם \(3\cdot5=15\) מטר. בגרף, \(3\cdot5\) הוא בדיוק השטח של המלבן שמתחת לקו.
חשוב: השטח מראה כמה הגוף התקדם, ולא איפה הוא נמצא. אם הגוף התחיל במיקום 2 והתקדם 15, הוא נמצא ב-17, אבל את המיקום ההתחלתי 2 לא רואים בגרף.
כשיש תאוצה, הקו אלכסוני והצורה מתחתיו היא טרפז. יש שתי דרכים לחשב את השטח שלו, ומכל אחת מתקבלת נוסחה אחרת. באיורים 2 ו-3 שתי השיטות מוצגות על אותה דוגמה: \(v_0=2\), \(a=1\), \(t=6\), ולכן \(v=8\).
הנתונים: מהירות התחלתית \(v_0\), מהירות סופית \(v\) וזמן \(t\). שטח טרפז הוא ממוצע הבסיסים כפול הגובה. הבסיסים הם \(v_0\) ו-\(v\), והגובה הוא \(t\).
למה ממוצע הבסיסים? אם מעלים את הצד השמאלי של הקו ומורידים את הצד הימני, עד שהקו מתאזן בגובה הממוצע, המשולש שנחתך מלמעלה מימין ממלא בדיוק את החסר מלמטה משמאל. הטרפז הופך למלבן בגובה \(\frac{v_0+v}{2}\) וברוחב \(t\).
צריך להוסיף גם את המיקום ההתחלתי, שלא מופיע בגרף:
$$x(t)=x_0+\frac{v_0+v}{2}\,t$$
בדוגמה: \(\frac{2+8}{2}\cdot6=30\) מטר.
הנתונים: מהירות התחלתית \(v_0\), תאוצה (שיפוע) \(a\) וזמן \(t\). מחלקים את הטרפז למלבן ומשולש:
$$x(t)=x_0+v_0t+\frac{1}{2}at^2$$
בדוגמה: \(2\cdot6+\frac{1}{2}\cdot1\cdot6^2=12+18=30\) מטר, אותה תשובה כמו בדרך 1.
זו נוסחת המיקום שאנחנו מכירים. הנוסחאות שבדף הנוסחאות הן פשוט חישובי שטח בגרף.
בגרף המוצג מטה מוצגת תלות המהירות בזמן כאשר הגוף נע בתאוצה קבועה. ניתן לשנות את המהירות ההתחלתית ואת התאוצה ולראות כיצד משתנה צורת הגרף.
|
נתונים |
נוסחה |
|
מהירות התחלתית, מהירות סופית, זמן (בלי תאוצה) |
\(x=x_0+\frac{v_0+v}{2}t\) |
|
מהירות התחלתית, תאוצה, זמן (בלי מהירות סופית) |
\(x=x_0+v_0t+\frac{1}{2}at^2\) |
כשהגרף מתחת לציר הזמן, המהירות שלילית, כלומר הגוף נע בכיוון השלילי. גם אז מחשבים את השטח בין הקו לציר הזמן. שטח הוא תמיד חיובי, אבל הוא מייצג תנועה בכיוון השלילי, ולכן קוראים לו "שטח שלילי".
כשבגרף יש גם חלקים מעל הציר וגם חלקים מתחתיו, ההעתק הכולל הוא סכום השטחים שמעל הציר, פחות סכום השטחים שמתחתיו.