1. MECHANIKA. 1.1. Úvodní pojmy



Podobné dokumenty
1. ÚVOD 1.1 SOUSTAVA FYZIKÁLNÍCH VELIČIN, KONSTANT,

ÚVOD. Fyzikální veličiny a jednotky Mezinárodní soustava jednotek Skalární a vektorové veličiny Skládání vektorů

1. OBSAH, METODY A VÝZNAM FYZIKY -

4. Statika základní pojmy a základy rovnováhy sil

Jan Kopečný ESF ROVNÉ PŘÍLEŽITOSTI PRO VŠECHNY VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA

Seriál II.II Vektory. Výfučtení: Vektory

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ

Prototyp kilogramu. Průřez prototypu metru

Fyzikální veličiny a jednotky, přímá a nepřímá metoda měření

VEKTOR. Vymyslete alespoň tři příklady vektorových a skalárních fyzikálních veličin. vektorové: 1. skalární

Test jednotky, veličiny, práce, energie, tuhé těleso

soustava jednotek SI, základní, odvozené, vedlejší a doplňkové jednotky, násobky a díly jednotek, skalární a vektorové veličiny

Projekt Efektivní Učení Reformou oblastí gymnaziálního vzdělávání je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Soustava SI FYZIKÁLNÍ VELIČINY A JEDNOTKY

Vyšší odborná škola, Obchodní akademie a Střední odborná škola EKONOM, o. p. s. Litoměřice, Palackého 730/1

Vyšší odborná škola, Obchodní akademie a Střední odborná škola EKONOM, o. p. s. Litoměřice, Palackého 730/1

M - Příprava na 3. čtvrtletní písemnou práci

MĚŘENÍ FYZIKÁLNÍCH VELIČIN. m = 15 kg. Porovnávání a měření. Soustava SI (zkratka z francouzského Le Système International d'unités)

Vektory II. Předpoklady: Umíme už vektory sčítat, teď zkusíme opačnou operací rozklad vektoru na složky.

3.4.2 Rovnováha Rovnováha u centrální rovinné silové soustavy nastává v případě, že výsledná síla nahrazující soustavu je rovna nule. Tedy. Obr.17.

Poznámka. V některých literaturách se pro označení vektoru také používá symbolu u.

6. Vektorový počet Studijní text. 6. Vektorový počet

VY_32_INOVACE_FY.01 FYZIKA - ZÁKLADNÍ POJMY

Analytická geometrie lineárních útvarů

6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE

Pohyby tuhého tělesa Moment síly vzhledem k ose otáčení Skládání a rozkládání sil Dvojice sil, Těžiště, Rovnovážné polohy tělesa

Soustava SI, převody jednotek

Vybrané kapitoly z matematiky

Úvod Fyzika hypotéza Pracovní hypotéza Axiom Fyzikální teorie Fyzikální zákon princip Fyzikální model materiální model

Historie SI. SI Mezinárodní soustava jednotek - Systéme International d Unités

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

KINEMATIKA I FYZIKÁLNÍ VELIČINY A JEDNOTKY

264/2000 Sb. VYHLÁŠKA. Ministerstva průmyslu a obchodu. ze dne 14. července 2000,

ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ V ROVINĚ

VZOROVÝ TEST PRO 3. ROČNÍK (3. A, 5. C)

Tabulka 1. SI - základní jednotky

KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

M - Příprava na 1. čtvrtletku pro třídu 4ODK

FYZIKA, SI, NÁSOBKY A DÍLY, SKALÁR A VEKTOR, PŘEVODY TEORIE. Fyzika. Fyzikální veličiny a jednotky

Kapitola 2. o a paprsek sil lze ztotožnit s osou x (obr.2.1). sil a velikost rovnou algebraickému součtu sil podle vztahu R = F i, (2.

Rychlost, zrychlení, tíhové zrychlení

Mechanika tuhého tělesa

A[a 1 ; a 2 ; a 3 ] souřadnice bodu A v kartézské soustavě souřadnic O xyz

Úvod. rovinný úhel např. ϕ radián rad prostorový úhel např. Ω steradián sr

β 180 α úhel ve stupních β úhel v radiánech β = GONIOMETRIE = = 7π 6 5π 6 3 3π 2 π 11π 6 Velikost úhlu v obloukové a stupňové míře: Stupňová míra:

Skaláry a vektory

Vektorový součin I

Parametrická rovnice přímky v rovině

VELIKOST VEKTORU, POČETNÍ OPERACE S VEKTORY

7.2.1 Vektory. Předpoklady: 7104

Mocniny. Nyní si ukážeme jak je to s umocňováním záporných čísel.

Dá se ukázat, že vzdálenost dvou bodů má tyto vlastnosti: 2.2 Vektor, souřadnice vektoru a algebraické operace s vektory

CVIČNÝ TEST 1. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 21 IV. Záznamový list 23

M - Příprava na 12. zápočtový test

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ TĚŽIŠTĚ

Slovo ALGEBRA pochází z arabského al-jabr, což znamená nahrazení. Toto slovo se objevilo v názvu knihy

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

11. VEKTOROVÁ ALGEBRA A ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ. u. v = u v + u v. Umět ho aplikovat při

Obsah. 2 Moment síly Dvojice sil Rozklad sil 4. 6 Rovnováha 5. 7 Kinetická energie tuhého tělesa 6. 8 Jednoduché stroje 8

Soustava vznikla v roce 1960 ze soustavy metr-kilogram-sekunda (MKS).

CVIČNÝ TEST 37. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 5 III. Klíč 13 IV. Záznamový list 15

Obsah 11_Síla _Znázornění síly _Gravitační síla _Gravitační síla - příklady _Skládání sil _PL:

4. Kolmou tlakovou sílu působící v kapalině na libovolně orientovanou plochu S vyjádříme jako

12 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

CVIČNÝ TEST 5. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Václav Zemek. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 17 IV. Záznamový list 19

Lingebraické kapitolky - Analytická geometrie

1 mm = 0,01 dm 1 m = mm 1 mm = 0,001 m 1 km = m 1 m = 0,001 km

CVIČNÝ TEST 11. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 19 IV. Záznamový list 21

CVIČNÝ TEST 9 OBSAH. Mgr. Václav Zemek. I. Cvičný test 2 II. Autorské řešení 5 III. Klíč 17 IV. Záznamový list 19

M - Příprava na 4. čtvrtletku - třídy 1P, 1VK.

Postup při řešení matematicko-fyzikálně-technické úlohy

CVIČNÝ TEST 51. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

Matematika 1 MA1. 1 Analytická geometrie v prostoru - základní pojmy. 4 Vzdálenosti. 12. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 32

UNIVERZITA PARDUBICE FAKULTA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ. Katedra fyziky ZÁKLADY FYZIKY I. Pro obory DMML, TŘD, MMLS, AID prezenčního studia DFJP

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora. Průřezová témata Poznámky. Téma Školní výstupy Učivo (pojmy) volné rovnoběžné promítání průmětna

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

55. ročník matematické olympiády

14. přednáška. Přímka

Hisab al-džebr val-muqabala ( Věda o redukci a vzájemném rušení ) Muhammada ibn Músá al-chvárizmího (790? - 850?, Chiva, Bagdád),

VEKTORY. Obrázek 1: Jediný vektor. Souřadnice vektoru jsou jeho průměty do souřadných os x a y u dvojrozměrného vektoru, AB = B A

1.3. Číselné množiny. Cíle. Průvodce studiem. Výklad

Připravil: Roman Pavlačka, Markéta Sekaninová Dynamika, Newtonovy zákony

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově. 05_1_Fyzikální veličiny a jejich měření

TUHÉ TĚLESO. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

1.1.2 Fyzikální veličiny, jednotky

BIOMECHANIKA. 1, Základy biomechaniky (historie a definice oboru)

Fyzikální veličiny. - Obecně - Fyzikální veličiny - Zápis fyzikální veličiny - Rozměr fyzikální veličiny. Obecně

M - 2. stupeň. Matematika a její aplikace Školní výstupy Žák by měl

Obecná rovnice kvadratické funkce : y = ax 2 + bx + c Pokud není uvedeno jinak, tak definičním oborem řešených funkcí je množina reálných čísel.

FAKULTA STAVEBNÍ VUT V BRNĚ PŘIJÍMACÍ ŘÍZENÍ PRO AKADEMICKÝ ROK

Moment síly výpočet

19 Eukleidovský bodový prostor

M - Příprava na 1. čtvrtletku pro třídy 2P a 2VK

CVIČNÝ TEST 10. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Renáta Koubková. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 17 IV. Záznamový list 19

příkladů do cvičení. V textu se objeví i pár detailů, které jsem nestihl (na které jsem zapomněl) a(b u) = (ab) u, u + ( u) = 0 = ( u) + u.

Definice. Vektorový prostor V nad tělesem T je množina s operacemi + : V V V, tj. u, v V : u + v V : T V V, tj. ( u V )( a T ) : a u V které splňují

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

CVIČNÝ TEST 35. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

CVIČNÝ TEST 13. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Zdeňka Strnadová. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

Lineární algebra : Metrická geometrie

Transkript:

1. MECHANIKA Studium předmětu Fyzika je nejlepší začít částí zvanou Mechanika. Mluví pro to hned několik důvodů zaprvé je to nejstarší obor fyziky zabývající se zákonitostmi mechanického pohybu těles známý již ve starověku. Za druhé je pro studujícího nejsnáze pochopitelný, protože na mechanické jevy naráží každý den. Ne že by se běžně nesetkával i s jinými fyzikálním jevy a zákonitostmi, ale ty nejsou často na první pohled tak zřejmé. A konečně za třetí se bez znalosti zákonitosti mechaniky neobejdete při studiu jiných partií fyziky a uplatníte je i u velmi složitých jevů jako je třeba pohyb kosmické lodi či čtecího zařízení CD přehrávače. Mechanika se dělí na více částí. Kinematika se zabývá pouze popisem pohybu tělesa, zatímco Dynamika vyšetřuje příčiny tohoto pohybu. Samostatně se probírají kapitoly Mechanická práce a energie, Gravitační pole a Tuhé těleso. 1.1. Úvodní pojmy Obr.1.1-1 Než se pustíte do studia nejen této kapitoly, ale i jiných částí fyziky, je třeba si zopakovat základní pojmy, které se v celé fyzice používají. Úplně na začátku se seznamte se soustavou fyzikálních veličin a jednotek, jejich znalost je nezbytná. Fyzika také pracuje se skalárními i vektorovými veličinami, je tedy nutné se naučit jejich odlišnosti a základní matematické operace s nimi. 1. Znát základní jednotky soustavy SI. 2. Znát předpony označující díly a násobky jednotek. 3. Umět rozepsat vedlejší jednotky pomocí jednotek základních. 4. Vědět, že do vztahů je vhodné dosazovat jednotky soustavy SI, výsledek pak vyjde také v jednotkách SI. 5. Definovat a rozlišit skalární a vektorovou veličinu. 6. Umět sečíst a odečíst algebraicky i graficky dva a více vektorů. 7. Rozložit vektor do libovolných směrů. 8. Umět vyjádřit vektor pomocí jeho složek a souřadnic. 9. Vynásobit skalárně jeden vektor druhým.. Vynásobit vektorově jeden vektor druhým, umět určit směr výsledného vektoru.

1.1.1. Soustava fyzikálních veličin a jednotek Postupem času při rozvoji fyzikálních Postupem času při rozvoji fyzikálních stupem času při rozvoji fyzikálních poznatků se používalo k vyjádření velikostí fyzikálních veličin nejrůznějších jednotek. Vzpomeňte si z dějepisu na starověké délkové míry Římané vyjadřovali vzdálenosti ve stádiích, již od středověku používají Angličané míle ať už pozemní, nebo námořní, v Rusku byl vžit pojem versta. Jak se globalizoval svět, ukázala se nutnost sjednotit všechny jednotky. A tak od roku 1971 byla zavedena Mezinárodní soustava jednotek označovaná zkratkou SI (z francouzského Systéme International des Unités). Soustava SI obsahuje sedm základních fyzikálních jednotek a tomu odpovídajících sedm základních veličin. Tyto základní jednotky jsou přehledně uspořádány s příslušnými veličinami a značkami v následující tabulce: Základní fyzikální jednotky soustavy SI jednotka značka název veličiny metr m délka l kilogram kg hmotnost m sekunda s čas t ampér A elektrický proud I kelvin K termodynamická teplota T mol mol látkové množství n kandela cd svítivost I značka Dále soustava SI obsahuje odvozené jednotky. Tyto jednotky jsou odvozeny na základě definičních vztahů příslušných veličin. Například veličinu hustota ρ definujeme jako hmotnost jednotkového objemu vztahem m ρ =, V Protože jednotkou hmotnosti m je kilogram (kg) a jednotkou objemu V je krychlový metr (m 3 ), jednotkou hustoty je kilogram na metr krychlový. Tuto jednotku pak můžeme zapsat ve dvou různých tvarech a to buď jako kg/m 3, nebo kg.m -3. Odvozené jednotky se často pojmenovávají po význačných fyzicích. Tak známe jednotku Newton, Pascal, Sievert atd. U 1.1.-1 Jednotka Newton (N) je odvozenou jednotkou pro sílu. Vyjádřete tuto jednotku pomocí základních jednotek. 11

V praxi je často výhodné používat násobky a díly jednotek. Proto vzdálenost ujetou autem vyjadřujeme v kilometrech (km) a ne v metrech, malé hodnoty elektrického proudu měříme v miliampérech (ma) a ne v ampérech. Zase jde o použití zásad soustavy SI, která určuje násobky a díly pomocí třetích mocnin základu. Jednotlivé násobky a díly jsou označeny předponami. V předchozích příkladech jsme tak použili dvě předpony a to kilo (značka k) pro označení násobku 3 a mili (značka m) pro -3. Ostatní díly a násobky jednotek najdete v následující tabulce Dekadické násobky jednotek soustavy SI. Někdy se používají ještě další předpony, které nepatří do soustavy SI jako je centi- se značkou c (1 cm = -2 m), deci-, značka d (1 dm = -1 m) a hekto-, značka h (1 hpa = 0 Pa). Přehled dekadických násobků a dílů jednotek soustavy SI Předpona Značka Znamená výchozích jednotek exa E 18 peta P 15 tera T 12 giga G 9 mega M 6 kilo k 3 hekto x) h 2 deka x) da 1 Při používání násobků a dílů jednotek si musíme dávat velký pozor při výpočtech. Například máme vypočítat kolik váží krychle železa o hraně 2 cm. Hustota železa (najdeme v tabulkách) je 7,9. 3 kg.m -3. 0 deci x) ) d 1 centi x) c 2 mili m 3 mikro µ 6 nano a 9 piko p 12 femto f 15 atto a 18 Násobky a díly označené x) se používají jen ve zvláštních případech 12

Vyjdeme z definičního vztahu pro hustotu a vyjádříme z něj hmotnost. m ρ = m = ρv. V Když teď dosadíme přímo hodnoty bez ohledu na jednotky dostaneme: 3 3 3 m = 7,9..2 = 63,2. kg = 63,2 tun. Tedy zřejmý nesmysl, malá krychlička asi tolik neváží. Vše vzniklo tím, že jsme nedosazovali veličiny důsledně v jednotkách SI. Hustota byla dosazena správně, ale délkový rozměr železné krychle jsme dosadili v centimetrech a ne v metrech. Správný výpočet by tedy vypadal takto: 3 3 3 m = 7,9. 0,02 = 63,2. kg = 63,2g. zkušenostem. A to už je výsledek odpovídající našim Stále se ještě setkáváme s jednotkami, které nepatří do soustavy SI. Je to dáno jejich praktickým významem, zde patří jednotky jako minuta, hodina, tuna, litr. A nebo tradicí anglicky mluvící národy se těžko zbavují mílí, stop či liber. Těmto jednotkám se říká vedlejší jednotky. Při převodu jednotek se často dopouštíme chyb. Následující řešený příklad si nejdříve vypočítejte sami a pak si teprve zkontrolujte řešení. Kolik čtverečných metrů má les o výměře 5 km 2? Při řešení si musíte uvědomit, že pracujeme s mocninou jednotky. Nejlepší je si jednotku rozepsat jako součin a pak převést každý činitel zvlášť. Takže: 5 km 2 = 5 (km) (km) = 5 (00 m) (00 m) = 5. 6 m 2. U 1.1.-2 Napište převodní vztahy mezi minutou, hodinou, tunou a litrem a příslušnými jednotkami soustavy SI. U 1.1.-3 Zátka z korku má hmotnost 1g a objem 5 cm 3. Jaká je hustota korku? U 1.1.-4 Vyjádřete pomocí mocnin o základu následující jednotky: ma, GJ, nm, µv, pf. 1.1.2. Skalární a vektorové fyzikální veličiny Fyzikální veličiny můžeme rozdělit do dvou skupin. Prvou skupinu tvoří veličiny jako je čas, hmotnost, teplota, energie. U těchto veličin určujeme pouze jejich velikost a samozřejmě i s příslušnou jednotkou. Jestliže řeknu, že cesta z Ostravy do Prahy trvá vlakem 5 hodin, není třeba nic dodávat (pokud nenadávám na ČD, že zase měl vlak zpoždění). V tomto případě hovořím o skalární veličině. Skalární fyzikální veličina, krátce skalár, je určena svou velikostí a příslušnou jednotkou. Skalární fyzikální veličina a skalární veličina nejsou rovnocenné pojmy. Pokud hovoříme pouze o skalární veličině jako matematickém pojmu, pak je tato veličina určena jen svou velikostí. U skalární fyzikální veličiny musíme vždy připojit ještě jednotku pokud, není bezrozměrná. Skalární veličinu označujeme v textu kurzivou. Například čas zapíšeme jako t, hmotnost m atp. 13

Do druhé skupiny zařazujeme fyzikální veličiny jako je síla, rychlost, zrychlení, intenzita elektrického pole apod. Na rozdíl od skalárních veličin, u těchto vektorových veličin musíme brát v úvahu i jejich směr. Chceme-li roztlačit na vodorovné silnici auto, tak samozřejmě působíme silou. Pokud budeme tlačit na auto shora, ani s ním nehneme. Z fyzikálního pohledu působíme silou ve směru kolmém na směr pohybu. Ze zkušenosti víme, že nejúčinnější bude, budeme-li tlačit ve směru vodorovném (síla působí ve směru pohybu). Vektorová fyzikální veličina, zkráceně vektor, je veličina, která má určitou velikost, směr a orientaci. A protože se jedná o fyzikální vektorovou veličinu, je nutné připojit i jednotku. Vektorovou veličinu označujeme zpravidla kurzívou a to tučnou nebo šipkou nad jejím symbolem. Například sílu zapíšeme jako F, nebo F. Vektorovou veličinu znázorňujeme úsečkou určité délky a určitého orientovaného směru. Délka této úsečky určuje velikost vektoru je to skalár. Velikost vektoru A zapisujeme jako A = A. Směr vektoru je dán přímkou ve které vektor leží. A konečně orientaci vektoru nám určuje počáteční (O) a koncový bod vektoru. Na obrázku Obr.1.1.-2 vidíme znázorněnu sílu F velikosti F = 4 N působící ve směru osy x. Na tomto obrázku je také znázorněn důležitý bod O počáteční bod vektoru označovaný jako umístění vektoru. Obr.1.1.-2 Ke každému vektoru existuje opačný vektor. Opačný vektor má stejnou velikost, stejný směr, ale opačnou orientaci. Vektor opačný k vektoru a značíme jako a. Pro počítání s vektory platí některá odlišná pravidla než při počítání se skaláry (čísly) tzv. pravidla vektorového počtu: Sčítání vektorů. Vektory sčítáme vektorovým součtem. Na rozdíl od sčítání dvou čísel musíme v tomto případě vzít v úvahu nejen velikost vektorů, ale i jejich směr. Matematický zápis pro vektorový součet je: s = a + b, s = b + a 1.1.-1 Výsledný vektor s nazýváme výslednice vektorů, sčítané vektory a a b jsou složky. Všimněte si, že výsledkem je opět vektor a že nezáleží na pořadí sčítání. Názornější je grafické sčítání vektorů. V tomto případě konstruujeme tzv. vektorový rovnoběžník. Výslednice vektorů s je úhlopříčkou rovnoběžníku o stranách tvořených sčítanými vektory - složkami a a b. Toto sčítání je znázorněno na obrázku Obr.1.1-4. Samozřejmě můžeme sčítat více vektorů. Sečteme nejdříve prvé dva, k jejich výslednici přičteme další vektor atd. Názorně je vidět postupné sčítání vektorů na animaci. Obr.1.1.-4 Velikost výslednice vektoru můžeme také vypočítat, určit algebraicky. Pomůže nám obrázek Obr.1.1.-5 a kosinová věta. s 2 = a 2 + b 2 + 2 a b cos α 14

U 1.1.-5 Určete výsledný vektor c vzniklý sečtením vektoru a velikosti 4 m a majícího směr osy x s vektorem b velikosti 3 m ležícího ve směru osy y. Řešte graficky a početně. U 1.1. -6 Určete graficky vektor e, který je součtem vektorů a,b,c znázorněných na obrázku Obr.1.1.-7. U 1.1. -7 Dvě skupiny se přetahují lanem. Přetahování je nerozhodné, obě skupiny zřejmě táhnou stejnou silou v opačných směrech. Jaká je výslednice sil? Nakreslete schematický obrázek. Obr.1.1.-5 Obr.1.1.-7 Odčítání vektorů. Pokud se naučíme sčítat vektory, umíme již vektory také odečítat. Máme-li odečíst od vektoru a vektor b, pak to uděláme tak, že k vektoru a přičteme vektorově opačný vektor b. Matematický zápis této operace je: c = a + (-b), nebo c = a b 1.1.-2 Graficky máte odečítání dvou vektorů znázorněno na obrázku Obr.1.1.-. Obr.1.1.- 15

počtu? Na obrázku Obr.1.1.-11 je zobrazen rovnoběžník o stranách a a b, které svírají úhel γ. Můžeme vypočítat úhlopříčky rovnoběžníku s využitím vektorového Tento příklad byl zvolen právě proto, aby ukázal, jak lze vektorového počtu použít pro řešení některých Obr.1.1.-11 geometrických úloh. Představíme si strany a, b jako vektory a, b se společným počátkem v bodě O. Delší úhlopříčka (červená) d je vlastně velikost výslednice vektorového součtu obou vektorů a, b. d 2 =a 2 + b 2 + 2ab cos γ. Kratší úhlopříčka (modrá) c je velikost výslednice vektorového rozdílu obou vektorů. c 2 =a 2 + b 2-2ab cos γ. Rozklad vektoru. Rozklad vektoru je ve fyzice velice užitečná operace. Vektor rozkládáme do dvou nebo více různoběžných směrů. Na obrázku Obr.1.1.- 14 vidíme rozložení vektoru a na dva vektory a 1 a a 2. Vektory a 1 a a 2 jsou tzv. složky vektoru a. Jejich vektorovým součtem (a 1 + a 2 = a) opět dostaneme vektor a. Obr.1.1.-14 Často rozkládáme vektor na složky ležící v jednotlivých osách pravoúhlé soustavy souřadnic Oxyz. Velikostem těchto složek pak říkáme souřadnice vektoru. Vezměme například vektor síly F. Jeho rozklad na složky F x, F y a F z je znázorněn na obrázku Obr.1.1.-15 Pro velikost vektoru F vyjádřenou pomocí jeho souřadnic platí vztah: Obr.1.1.-15 2 2 2 F = F = ( F + F + F ). 1.1.-3 x y z 16

Složky vektoru v pravoúhlé soustavě souřadnic můžeme také vyjádřit pomocí jeho souřadnic a jednotkových vektorů. Tak jednotkový vektor a o vektoru a je vektor, který má směr vektoru a a velikost rovnu 1. Platí tedy a o = 1. Situace je znázorněna na Obr.1.1.-16. Jednotkové vektory ve směrech souřadných os x, y, z pravoúhlé souřadné soustavy Oxyz se označují jako i, j, k. Například složky vektoru F zapsané pomocí jeho souřadnic jsou: F x = F x i, F y = F y j, F z = F z k, A vektor F pak jako jejich vektorový součet vyjádříme: F = F x i + F y j + F z k Obr.1.1.-16 Násobení vektoru reálným číslem. Vynásobíme-li vektor A 0 reálným číslem n, dostaneme vektor stejného směru A 1. Jeho velikost bude n násobkem původní velikosti. A 1 = n A o, A 1 = n A o 1.1.-4 Je-li n kladné, má výsledný vektor A 1 stejný směr i orientaci jako původní vektor A o. Bude-li n záporné číslo, má výsledný vektor orientaci opačnou. Ale pozor, velikost výsledného vektoru bude kladná, délky úseček vyjadřujeme vždy kladnými čísly. Příklad grafického řešení násobení vektoru síly číslem máte na obrázku Obr.1.1.-3. Skalární součin dvou vektorů. Jak název této operace napovídá, násobíme-li skalárně vektor A vektorem B je výsledkem skalár C. Skalární součin zapisujeme C = A. B = A B cosα, 1.1.-5 Kde A a B jsou velikosti obou vektorů a α je úhel, který vektory svírají. Všimněte si tečky mezi násobenými vektory na levé straně rovnice. Touto tečkou vyjadřujeme, že se jedná právě o skalární součin. Skalární součiny jednotkových vektorů vypadají následovně: i. i = j. j = l. k = 1, i. j = j. k = k. i = 0 Skalární součin můžeme určit také pomocí souřadnic jednotlivých vektorů: C = A. B = A B + A B + A B x x y y z z Obr.1.1.-3 17

Typickým fyzikálním příkladem na skalární součin je výpočet práce. Máme vypočítat velikost vykonané práce (skalár), táhneme-li vozík (Obr.1.1.-12) po vodorovné cestě silou 500 N (prvý vektor). Vozík táhneme pomocí 1m dlouhé šňůry po dráze 6m (druhý vektor). Šňůra je upevněna na vozík ve výšce 0,5m, naše ruce jsou ve výšce 1m (z těchto údajů vypočítáme úhel mezi oběma vektory). Ze zkušenosti víme, že nejmenší námahu (nejmenší sílu) musíme vynaložit, Obr.1.1.-12 táhneme-li vozík ve směru pohybu. Ale síla v našem případě působí pod úhlem α. Ve směru pohybu působí jen složka síly F cosα. Možná si ještě pamatujete (když ne, tak se to zde později dovíte), že práce je síla působící po dráze. Jinak řečeno práci dostaneme jako součin působící síly a dráhy, po které se těleso během působení síly přemístí: ( α ) s A = F cos. Srovnáme-li tento vztah s výrazem pro skalární součin vektoru síly F a vektoru přemístění s (F. s = F s cosα) zjistíme, že jde o stejné vztahy. Takže se můžeme konečně pustit do výpočtu hledané práce. V našem případě je úhel α roven 30 o, jak jednoduše stanovíme 0,5 z obrázku ( sin α = ). Dosadíme nyní do vztahu pro skalární součin vektoru síly a dráhy: 1 o A = F. s = F s cosα = 500 6 cos30 = 2600 J. Výsledek nám vyšel v joulech, v jednotce soustavy SI pro práci, protože jsme dosazovali hodnoty pro velikost síly i dráhy také v jednotkách patřících do soustavy SI.. U 1.1.-8 Vypočítejte skalární součin dvou vektorů a a b ve dvou extrémních případech: a) vektory jsou rovnoběžné a b b) vektory jsou na sebe kolmé a b Vektorový součin dvou vektorů. Násobíme-li vektorově vektor A vektorem B, je výsledkem tohoto součinu vektor D. D = A x B = - (B x A). 1.1.-6 V tomto zápisu si všimněte symbolu pro vektorový součin x. Důležití je, že si musíme dát pozor i na pořadí vektorů. Vyměníme-li v součinu pořadí obou vektorů, dostaneme sice vektor stejné velikosti, ale opačné orientace. Výsledný vektor D je kolmý na rovinu tvořenou vektory A a B. Je tedy kolmý jak na vektor A, tak na vektor B. Vektorový součin je možné vyčíslit z determinantu ve tvaru 18

i j k D = A B x x A B y y A B z z 1.1.-7 Důležité je znát pravidlo o vektorových součinech jednotkových vektorů ve směrech os: i x j = k, j x k = i, k x i = j, i x i = j x j = k x k = 0 Pro praktické fyzikální výpočty nám často dostačuje znát velikost vektoru vzniklého jako vektorový součin. Tuto velikost vypočítáme jako součin velikostí obou vektorů a sinu úhlu jimi sevřeného: D = A B sinα. 1.1.-8 Jedná se vlastně o plochu rovnoběžníka vymezeného násobenými vektory. Názorně je vektorový součin a jeho výsledek vidět na obrázku Obr.1.1.-13. Obr.1.1.-13 U 1.1.-9. Stanovte vektorový součin dvou vektorů a a b ve dvou extrémních případech: a) vektory jsou rovnoběžné a b b) vektory jsou na sebe kolmé a b Klíč U1.1.-1 kg.m.s -2 1 h = 60 min = 3 600 s 1 t = 1 000 kg 1 l = 0,001 m 3 Při odvozování vyjdeme z 2.Newtonova pohybového zákona, který definuje sílu jako součin hmotnosti a zrychlení: F = ma N = kg.m/s 2 U1.1.-2 1 min = 60 s U1.1.-3 0,2 g/cm 3 = 200 kg.m -3 U1.1.-4 1 ma = -3 A 1 GJ = 6 J 1 nm = -9 m 19

1 µv = -6 V 1 pf = -12 F U1.1.-5 c = 5 m, tg α = 3/4, viz Obr.1.1.-6 U1.1.-6 viz Obr.1.1.-8 Obr.1.1.-6 U1.1. -7 F 1 + F 2 =0, viz Obr.1.1.-9 Obr.1.1.-8 U1.1.-8 a) a. b = a b b) a. b = 0 U1.1.-9 a) a x b = 0 (α = 0) Obr.1.1.-9 b) a x b = a b (α = 90 o ), výsledný vektor je kolmý na rovinu tvořenou oběma vektory. 20