בגרף מיקום-זמן, גוף שנע במהירות קבועה מתואר על ידי קו ישר:
וגוף שנע בתאוצה קבועה מתואר על ידי פרבולה:
$$ x_1(t) = x_{01} + v_{01}\,t + \tfrac{1}{2} a t^2 $$
כששני הגרפים משורטטים על אותה מערכת צירים, נקודת חיתוך פירושה ששני הגופים נמצאים באותו מקום באותו רגע, כלומר הם נפגשים. קריאת הזמן של נקודת החיתוך נותנת את רגע המפגש, וקריאת המיקום נותנת את מקום המפגש.
כדי למצוא את רגע המפגש בלי גרף, משווים את המיקומים:
$$ x_{01} + v_{01}\,t + \tfrac{1}{2} a t^2 = x_{02} + v\,t $$
ומעבירים הכול לצד אחד. מקבלים משוואה ריבועית בזמן:
$$ \tfrac{1}{2} a\, t^2 + (v_{01} - v)\, t + (x_{01} - x_{02}) = 0 $$
מספר הפתרונות של המשוואה קובע את מספר המפגשים. הוא נקבע לפי הדיסקרימיננטה:
בגרף שלמטה אפשר לשנות את הפרמטרים של שני הגופים ולראות איך משתנה מספר נקודות החיתוך. הכפתורים בתחתית ההדגמה טוענים את שלושת המצבים מהשאלה לדוגמה.
הפרבולה (באדום) היא גוף בתאוצה קבועה, והקו הישר (בכחול) הוא גוף במהירות קבועה. כל נקודת חיתוך היא מפגש: שני הגופים באותו מקום באותו רגע. שנו את הפרמטרים וראו מתי יש שתי נקודות חיתוך, נקודה אחת או אף נקודה.
מכונית עומדת ברמזור אדום. ברגע שהאור מתחלף לירוק (), המכונית מתחילה לנסוע מתוך מנוחה בתאוצה קבועה של
. באותו רגע עובר רוכב אופניים, שנוסע במהירות קבועה v באותו כיוון, בנקודה שנמצאת 16 מטר מאחורי המכונית.
ראשית הצירים נמצאת במקום של רוכב האופניים ברגע , והכיוון החיובי הוא כיוון הנסיעה.
א. כתבו את משוואות המיקום של המכונית ושל רוכב האופניים.
ב. מהירות הרוכב היא 10 m/s. מתי ובאיזה מקום הרוכב והמכונית נפגשים? תארו מה קורה בכל מפגש.
ג. מהירות הרוכב היא 8 m/s. הראו שהרוכב והמכונית נפגשים פעם אחת בלבד. מה מיוחד ברגע המפגש?
ד. מהירות הרוכב היא 6 m/s. הראו שהרוכב לא מגיע למכונית. מהו המרחק הקטן ביותר ביניהם, ומתי הוא מתקבל?
ה. מהי המהירות המינימלית שבה הרוכב עוד מגיע למכונית?
המכונית מתחילה ב-16 מטר, ממנוחה, בתאוצה 2:
$$ x_{car}(t) = 16 + \tfrac{1}{2} \cdot 2\, t^2 = 16 + t^2 $$
הרוכב מתחיל בראשית ונע במהירות קבועה:
במפגש המיקומים שווים:
$$ 16 + t^2 = v\,t \quad\Longrightarrow\quad t^2 - v\,t + 16 = 0 $$
הדיסקרימיננטה של המשוואה היא:
$$ t^2 - 10t + 16 = 0 \quad\Longrightarrow\quad (t-2)(t-8) = 0 $$
מקומות המפגש:
מהירות המכונית היא .
בגרף: הקו הישר חותך את הפרבולה בשתי נקודות. בין שתי נקודות החיתוך הקו נמצא מעל הפרבולה, כלומר הרוכב לפני המכונית.
$$ t^2 - 8t + 16 = 0 \quad\Longrightarrow\quad (t-4)^2 = 0 \quad\Longrightarrow\quad t = 4\ \mathrm{s} $$
יש פתרון אחד בלבד (). מקום המפגש:
ברגע המפגש מהירות המכונית היא:
זו בדיוק מהירות הרוכב. הרוכב מגיע עד המכונית, נוגע בה לרגע ולא מצליח לעקוף אותה, ומאותו רגע המכונית מהירה יותר ומתרחקת. בגרף הקו הישר משיק לפרבולה.
$$ t^2 - 6t + 16 = 0, \qquad \Delta = 36 - 64 = -28 \lt 0 $$
למשוואה אין פתרון, ולכן הרוכב לא מגיע למכונית. בגרף הקו הישר נמצא כל הזמן מתחת לפרבולה.
המרחק בין המכונית לרוכב:
המרחק מינימלי כאשר :
ברגע הזה מהירות המכונית היא , שווה למהירות הרוכב. עד הרגע הזה הרוכב מהיר יותר ומתקרב, ואחריו המכונית מהירה יותר ומתרחקת.
הרוכב מגיע למכונית אם למשוואת המפגש יש פתרון, כלומר אם הדיסקרימיננטה אינה שלילית:
$$ v^2 - 64 \ge 0 \quad\Longrightarrow\quad v \ge 8\ \mathrm{m/s} $$
המהירות המינימלית היא : זה המצב של סעיף ג, שבו הקו הישר משיק לפרבולה.