Hetk­kiirus

Võrdust, mis võimaldab igal aja­hetkel t arvutada mööda mingit joont liikuva keha kaugust s lähte­punktist O, nimetatakse vaadeldava keha liikumis­seaduseks.

Olgu keha liikumis­seadus üld­juhul antud võrdusega s(t). Vaatleme keha liikumist hetkest t hetkeni t + Δt, s.t aja­vahemikus Δt. Et läbitud tee pikkused nendel hetkedel on f (t) ja f (t + Δt), siis aja­vahemikus Δt läbitud tee pikkus on

\Delta s=f\left(t+\Delta t\right)-f\left(t\right)

ja keskmine kiirus

v_k=\frac{\Delta s}{\Delta t}=\frac{f\left(t+\Delta t\right)-f\left(t\right)}{\Delta t}.

Joon. 4.10

Joonisel 4.10 on kujutatud läbitud tee OAB ja selle all aja­telg (aja t kasvades suurus s kasvab). Aja­vahemikule Δt vastav läbitud tee on AB. Keskmine kiirus vk on arvutatud aja­vahemiku Δt jooksul või, teisiti öeldes, tee­lõigul ΔsAB. Soovime nüüd teada, kui suur oli liikuva objekti kiirus punktis A, s.o hetkel t. Seda kiirust nimetatakse hetk­kiiruseks ja tähistatakse tähega v. Keskmine kiirus vk ise­loomustab hetk­kiirust v seda paremini, mida väiksem on Δs või, teisiti öeldes, mida väiksem on aja­vahemik Δt.

Järelikult,

kui \Delta t\to0, siis \frac{\Delta s}{\Delta t}\to v ehk v_k\to v.

Vaadeldes liikumis­seadust s(t) funktsioonina, võime üldistavalt öelda, et hetk­kiirus on suurus v, millele läheneb funktsiooni muudu Δs ja argumendi muudu Δt suhe, kui argumendi muut läheneb nullile.

Kasutades funktsiooni piir­väärtuse mõistet, on eel­öeldu põhjal

v=limΔt0vk ehk v=limΔt0ΔsΔt.

Sõnastatult: hetk­kiirus on funktsiooni s = f (t) muudu Δs ja argumendi muudu Δt suhte piir­väärtus, kui argumendi muut läheneb nullile.

Näide.

Veendume, et vaba langemise seadusest s=\frac{gt^2}{2} saame hetk­kiiruse valemi, rakendades seost kui Δt → 0, siis vkv ehk v=limt0st.

Kuna s=\frac{gt^2}{2}, siis peatüki 4.5 näites 5 leidsime, et

\Delta s=\frac{g}{2}\left[2t\Delta t+\left(\Delta t\right)^2\right] ja \frac{\Delta s}{\Delta t}=\frac{g}{2}\left(2t+\Delta t\right).

Nüüd:

kui Δt → 0, siis v_k=\frac{\Delta s}{\Delta t}=\frac{g}{2}\left(2t+\Delta t\right)\to gt, millest vgt;

või v=limΔt0ΔsΔtlimΔt0g22t+Δt\frac{g}{2}\cdot2tgt.

Seos v = gt on tõesti füüsika­kursusest tuntud vaba langemise hetk­kiiruse valem.

Ülesanded A

Ülesanne 826. Auto hetk­kiirus

Ülesanne 827. Hetk­kiirus

s = 2t2 + t + 1, t1 = 2, t2 = 3,5, t3 = 5.

Vastus. Hetk­kiiruse valem v. (t1), (t2), (t3)

s = 0,4t2, t1 = 0, t2 = 3, t3 = 8, t4 = 8,5, t5 = 10.

Vastus. Hetk­kiiruse valem v. v (t1), v (t2), v (t3), v (t4), v (t5)