I. механика

Характеристика величины

Скорость в физике — это величина, описывающая количество пути, пройденного за единицу времени. То есть когда говорят, что скорость пешехода составляет 5 км/ч, это означает, что он проходит расстояние в 5 км за 1 час.

Единой размерности в этой формуле нет, поскольку с ее помощью описываются и крайне медленные, и очень быстрые процессы.

Например, искусственный спутник Земли преодолевает порядка 8 км за 1 секунду, а тектонические плиты, на которых расположены материки, по измерениям ученых, расходятся всего на несколько миллиметров за год. Поэтому и размерности у скорости могут быть разными — км/ч, м/с, мм/с и т.д.

Принцип заключается в том, что расстояние делится на время, необходимое для преодоления пути. Не стоит забывать о размерности, если проводятся сложные расчеты.

Чтобы не запутаться и не ошибиться в ответе, все величины приводятся в одни и те же единицы измерения. Если длина пути указана в километрах, а какая-то его часть в сантиметрах, то, пока мы не получим единства в размерности, правильного ответа нам не узнать.

Максимальная скорость бега человека

Следующий фактор, который влияет на скорость, – дистанция. Большинство тренированных людей могут бежать со скоростью 15-20 км/ч, но не более одного километра. Дальше их скорость начнёт падать до 12-15 км/ч. Если говорить об элитных спортсменах, то на марафонских дистанциях скорость мужчин составляет 19-21 км/ч. Женские показатели в беге на 12-15% ниже.

Учитывая дистанцию, бегуны делятся на спринтеров (100-400 м), средневиков (800-3000 м), стайеров (5000-10000 м) и марафонцев, и системы их тренировок кардинально отличаются.

Самые высокие показатели скорости характерны для спринтерских дистанций: лучшие спортсмены преодолевают 100-метровку за 10-11 секунд, а 200 м за 19-20 секунд. Такое время спортсмены показывают в основном на соревнованиях, потому что даже на тренировках их скорость на 10-20% ниже максимальной.

У стайеров и марафонцев на первом плане – выносливость, способность держать стабильную скорость на протяжении длительного времени и разогнаться к финишу. У новичков на длинных дистанциях скорость составляет 9-12 км/ч, у тренированных людей – 16-18 км/ч.

Читайте по теме: Как развить и увеличить выносливость в беге

Быстрее всех пробежал 42 км 195 м Элиуд Кипчоге в октябре 2019 года – за 1 час 59 минут и 40,2 секунды. Для этого ему пришлось бежать всю дистанцию, сохраняя скорость 21,1 км/ч. Но этот рекорд не был засчитан, поскольку условия забега были почти “лабораторными” и нарушали марафонские правила.

Действующий мировой рекорд установил он же в 2018 году на марафоне в Берлине, пробежав его за 2 часа 1 минуту и 39 секунд.

Неоднократно спринтеров и стайеров пытались сравнить, и для этого учёные вычислили дистанцию, на которой их физическая форма может быть сопоставима – это 492 метра.

Для интереса можно взглянуть, как марафонец-любитель Искандер Ядгаров и спринтер-профессионал Рушан Абдулкадеров в 2018 году выясняли, кто из них будет быстрее на дистанции 450 м.

Скорость тела. Средняя скорость тела

      Решение задач на движение опирается на хорошо известную из курса физики формулу

позволяющую найти путь   S ,   пройденный за время   t   телом, движущимся с постоянной скоростью   v .

      Сразу же сделаем важное

      Замечание 1. Единицы измерения величин   S ,   t   и   v   должны быть согласованными. Например, если путь измеряется в километрах, а время – в часах, то скорость должна измеряться в км/час.

      В случае, когда тело движется с разными скоростями на разных участках пути, вводят понятие средней скорости, которая вычисляется по формуле

(1)

      Например, если тело в течение времени   t₁   двигалось со скоростью   v₁ ,  в течение времени   t₂   двигалось со скоростью   v₂ ,  в течение времени   t₃   двигалось со скоростью   v₃ ,  то средняя скорость

(2)

      Задача 1. По расписанию междугородный автобус должен проходить путь в   100   километров с одной и той же скоростью и без остановок. Однако, пройдя половину пути, автобус был вынужден остановиться на   25   минут. Для того, чтобы вовремя прибыть в конечный пункт, водитель автобуса во второй половине маршрута увеличил скорость на   20   км/час. Какова скорость автобуса по расписанию?

      Решение. Обозначим буквой   v   скорость автобуса по расписанию и будем считать, что скорость   v   измеряется в км/час. Изобразим данные, приведенные в условии задачи 1, на рисунке 1.

Рис. 1

      Тогда

      – время движения автобуса по расписанию (в часах);

      – время, за которое автобус проехал первую половину пути (в часах);

      v + 20   – скорость автобуса во второй половине пути (в км/час);

      – время, за которое автобус проехал вторую половину пути (в часах).

      В условии задачи дано время остановки автобуса –   25   минут. Его необходимо выразить в часах, чтобы все единицы измерения были согласованными:

      Теперь можно составить уравнение, исходя из того, что автобус прибыл в конечный пункт вовремя, а, значит, время, которое он был в пути, плюс время остановки должно равняться времени движения автобуса по расписанию:

      Решим это уравнение:

      По смыслу задачи первый корень должен быть отброшен.

      Ответ.   40   км/час.

      Задача 2. (МИОО) Первый час автомобиль ехал со скоростью   120   км/час, следующие три часа – со скоростью   105   км/час, а затем три часа – со скоростью   65   км/час. Найдите среднюю скорость автомобиля на протяжении всего пути.

      Решение. Воспользовавшись , получаем

      Ответ.   90   км/час.

      Задача 3. Первую половину пути поезд шел со скоростью   40   км/час, а вторую половину пути – со скоростью   60   км/час. Найдите среднюю скорость поезда на протяжении всего пути.

      Решение. Обозначим буквой   S   длину всего пути, выраженную в километрах. Изобразим данные, приведенные в условии задачи 3, на рисунке 2.

Рис. 2

      Тогда

      – время, за которое поезд прошел первую половину пути, выраженное в часах;

      – время, за которое поезд прошел вторую половину пути, выраженное в часах.

      Следовательно, время, за которое поезд прошел весь путь, равно

      В соответствии с средняя скорость поезда на протяжении всего пути

      Ответ.   48   км/час.

      Замечание 2. Средняя скорость поезда в задаче 3 равна   48   км/час, а не   50   км/час, как иногда ошибочно полагают, вычисляя чисел (скоростей)   40   км/час и   60   км/час. Средняя скорость не равна среднему арифметическому скоростей, а является величиной, вычисляемой по .

Средняя скорость пешехода в зависимости от факторов

• Если пешеход (например, турист) двигается по пересеченной местности, в лесу или в поле, то средняя скорость будет составлять 2,5-4 км/ч. Поэтому рекомендую при расчётах для туристических походов брать среднюю скорость 3-3,5 км/ч.
• Если пешеход (например, турист) двигается в горах средняя скорость составляется 1,5-2 км/ч.
• Если пешеход двигается по ровному безлюдному тротуару, то 5-6 км/ч.
• Если пешеход передвигается очень медленным темпом (прогулочным шагом), то скорость составит не более 2,5-3 км/час, а то и меньше.
• Если пешеход передвигается медленным темпом, то скорость составляет 3-4 км/час.
• Если пешеход передвигается средним темпом, то скорость составляет 4-5,5 км/час.
• Если пешеход передвигается быстрым темпом, то скорость составляет 5,5-6 км/час.
• Если пешеход передвигается очень быстрым темпом, то скорость составляет свыше 6 км/час.
• Скорость лёгкого бега 5–6 км/ч. Этот темп подходит для людей с нарушением опорно-двигательного аппарата, излишним весом и пожилых людей.
• Скорость среднего темпа бега (который наиболее часто используется для утренней пробежки непрофессиональными спортсменами) составляет 7–8 км/ч.
• Бег трусцой достигает скорости 12 км/ч. Этим темпом можно бегать на средние или длинные дистанции. Во время передвижения сердце перегоняет большой объем крови, что способствует укреплению сердечной мышцы и насыщению кровью всего организма. Бег трусцой благоприятно влияет на сердечно-сосудистую, эндокринную, нервную, а также иммунную систему. 

Уровень B

1. О какой скорости – средней или мгновенной – идет речь в следующих случаях:

а) пуля вылетает из винтовки со скоростью 800 м/с;

б) скорость движения Земли вокруг Солнца 30 км/с;

в) на участке дороги установлен ограничитель максимальной скорости – 60 км/ч;

г) мимо вас проехал автомобиль со скоростью 72 км/ч;

д) автобус преодолел расстояние между Могилевом и Минском со скоростью 50 км/ч?

2. Путь в 63 км от одной станции до другой электропоезд проходит за 1 ч 10 мин со средней скоростью 70 км/ч. Какое время занимают остановки?

3. Самоходная косилка имеет ширину захвата 10 м. Определите площадь поля, скошенного за 10 мин, если средняя скорость косилки 0,1 м/с.

4. На горизонтальном участке пути автомобиль ехал со скоростью 72 км/ч в течение 10 мин, а затем проехал подъем со скоростью 36 км/ч за 20 мин. Чему равна средняя скорость на всем пути?

5. Велосипедист первую половину времени при переезде из одного пункта в другой ехал со скоростью 12 км/ч, а вторую половину времени (из-за прокола шины) шел пешком со скоростью 4 км/ч. Определите среднюю скорость движения велосипедиста.

6. Школьник проехал 1/3 всего времени на автобусе со скоростью 60 км/ч, еще 1/3 всего времени на велосипеде со скоростью 20 км/ч, остальное время прошел со скоростью 7 км/ч. Определите среднюю скорость движения школьника.

7. Велосипедист ехал из одного города в другой. Половину пути он проехал со скоростью 12 км/ч, а вторую половину (из-за прокола шины) шел пешком со скоростью 4 км/ч. Определите среднюю скорость его движения.

8. Из одного пункта в другой мотоциклист двигался со скоростью 60 км/ч, обратный путь им был пройден со скоростью 10 м/с. Определите среднюю скорость мотоциклиста за все время движения.

9. Школьник проехал 1/3 пути на автобусе со скоростью 40 км/ч, еще 1/3 пути на велосипеде со скоростью 20 км/ч, последнюю треть пути прошел со скоростью 10 км/ч. Определите среднюю скорость движения школьника.

10. Пешеход часть пути прошел со скоростью 3 км/ч, затратив на это 2/3 времени своего движения. Оставшееся время он прошел со скоростью 6 км/ч. Определите среднюю скорость.

11. Скорость поезда на подъеме 30 км/ч, а на спуске – 90 км/ч. Определите среднюю скорость на вcем участке пути, если спуск в два раза длиннее подъема.

12. Половину времени при переезде из одного пункта в другой автомобиль двигался с постоянной скоростью 60 км/ч. С какой постоянной скоростью он должен двигаться оставшееся время, если средняя скорость движения равна 65 км/ч?

Как решать задачи на среднюю скорость

В ЕГЭ по матматике профильного уровня встречаются задачи на нахождение средней скорости автомобиля, путешественника, бегуна и т.п. В этой статье мы постараемся разобраться со способами решения данного типа зданий. Попробуйте решить следующие задачи:

1. Первую треть трассы велосипедист ехал со скоростью 12 км/ч, вторую треть – со скоростью 16 км/ч, а последнюю треть – со скоростью 24 км/ч. Найдите среднюю скорость велосипедиста на протяжении всего пути. Ответ дайте в км/ч.
2. Путешественник переплыл море на яхте со средней скоростью 20 км/ч. Обратно он летел на спортивном самолете со скоростью 480 км/ч. Найдите среднюю скорость путешественника на протяжении всего пути. Ответ дайте в км/ч.
3. Половину времени, затраченного на дорогу, автомобиль ехал со скоростью 74 км/ч, а вторую половину времени – со скоростью 66 км/ч. Найдите среднюю скорость автомобиля на протяжении всего пути. Ответ дайте в км/ч.

Если у Вас возникает недопонимание, или же вы просто не знаете как решать такие задачи, то данная статья предназначена как раз для Вас!

Средняя скорость объекта

Для начала вспомним формулу, по которой решаются все задачи на движение: ​\( S=vt \)​ — пройденный путь равняется произведению скорости и времени. Так вот, средняя скорость равна отношению всего пути ко времени, которое было затрачено на прохождение этого пути. Если перевести на математический язык:

\

Однако, раз возникла нужда вычислить среднюю скорость, то наверняка она была разной на различных промежутках. Например, Вам необходимо прийти в школу. Сначала вы какой-то путь проезжаете на автобусе, а затем идете пешком.

Условно, весь ваш путь можно разделить на 2 промежутка, и на обоих Ваша скорость и время его прохождения будет разной.

Аналогично мы должны вычислить и общее время, которое было затрачено на прохождение всего пути. То есть ​\( t=t_1+t_2+\ldots+t_n \)​, причем время вычисляем на каждом промежутке! То есть, запишем математически формулу для нахождения времени на n-м промежутке: ​\( t_n=\dfrac{S_n}{v_n} \)​

Решение задач

А теперь, обогатившись некоторой теорией решим первую из предложенных задач:

Первую треть трассы велосипедист ехал со скоростью 12 км/ч, вторую треть – со скоростью 16 км/ч, а последнюю треть – со скоростью 24 км/ч. Найдите среднюю скорость велосипедиста на протяжении всего пути. Ответ дайте в км/ч.

Решение:

1. По условию задачи мы видим, что автомобиль прошёл сначала одну треть, затем вторую треть и последнюю треть. Значит весь его маршрут состоит из трёх участков. Поэтому удобно обозначить длину всего его пути за ​\( 3S \)​
2. Теперь нам необходимо выяснить за какое время автомобиль прошёл каждый из этих промежутков (воспользовавшись формулой ​\( t_n=S_n/v_n \)​). Причем длина каждого из трёх промежутков будет равна S.
   1. Время, за который был пройдена первая треть: ​\( t_1=\dfrac{S}{12} \)​.
   2. Аналогично, найдем время, за которое были пройдены вторая и третья трети всего пути: ​\( t_2=\dfrac{S}{16} \)​ и  ​\( t_3=\dfrac{S}{24} \)​
3. Итак, мы выяснили сколько времени тратит автомобиль на прохождение каждого из отрезков своего пути, значит можем найти сколько он потратил времени всего: ​\( t=t_1+t_2+t_3 \)​. Таким образом: ​\( t=\dfrac{9S}{48} \)​

Теперь мы знаем длину всего пути (\( 3S \)​) и сколько времени автомобиль затратил на прохождение всего пути (\( t=\dfrac{9S}{48} \)​, значит найти среднюю скорость не составит и труда:

\

Ответ: 16

Теперь постарайтесь самостоятельно решить оставшиеся две текстовые задачи на нахождение средней скорости, а если не получается, то посмотрите видео-урок

-урок: «Как решать задачу на нахождение средней скорости»:

В данном видео-уроке я покажу, как решаются все три предложенные текстовые задачи на нахождение средней скорости. Также Вы можете сравнить своё решение с моим.

• #6. Длина хорды
• Как готовиться к ЕГЭ по математике самостоятельно (часть 1)

Математическое обнаружение скрытой ошибки

В решаемом нами примере пройденный телом (поездом или пешеходом) путь будет равен произведению nS_n (так как мы n раз складываем равные участки пути, в приведённых примерах — половинки, n = 2, или трети, n = 3). О полном же времени движения нам ничего не известно. Как определить среднюю скорость, если знаменатель дроби (3) явно не задан? Воспользуемся соотношением (2), для каждого участка пути определим t_n = S_{n :} v_n. Сумму рассчитанных таким образом промежутков времени запишем под чертой дроби (3). Ясно, что, для того чтобы избавиться от знаков «+», нужно приводить все S_{n :} v_n к общему знаменателю. В результате получается «двухэтажная дробь». Далее пользуемся правилом: знаменатель знаменателя идёт в числитель. В итоге, для задачи с поездом после сокращения на S_n имеем v_ср = nv₁v_{2 :} v₁ + v₂, n = 2 (4)_. Для случая с пешеходом вопрос -, как найти среднюю скорость, решается ещё сложнее: v_ср = nv₁v₂v_{3 :} v_1v2 + v₂v₃ + v₃v₁, n = 3(5).

Средняя скорость при переменном движении

При неравномерном движении величина средней скорости сильно зависит от выбора промежутка времени движения тела.

Рассмотрим движение тела, которое свободно падает вниз. Закон движения при этом:

Для моментов времени $t_1=0,1\ $c координата тела (подставим время $t_1$ в формулу (4)) равна: $x_1=0,049\ $м; для $t_2=0,2\ $c$\ x_2=0,196$ м, тогда $\left\langle v\right\rangle $в промежутке времени от $t_1=0,1$ с до $t_2=0,2\ $c будет:

Если взять для того же свободно падающего тела промежуток времени от $t_1=0,7$ с до $t_2=0,8\ $c, то средняя скорость получится равной $\left\langle v\right\rangle =7,4\frac$.

Для чего это нужно?

Такие расчеты полезны всем. Мы все время планируем свой день и перемещения. Имея дачу за городом, есть смысл узнать среднюю путевую скорость при поездках туда.

Это упростит планирование проведения выходных. Научившись находить эту величину, мы сможем быть более пунктуальными, перестанем опаздывать.

Вернемся к примеру, предложенному в самом начале, когда часть пути автомобиль проехал с одной скоростью, а другую — с иной. Такой вид задач очень часто используется в школьной программе. Поэтому, когда ваш ребенок попросит вас помочь ему с решением подобного вопроса, вам будет просто это сделать.

Сложив длины участков пути, вы получите общее расстояние. Поделив же их значения на указанные в исходных данных скорости, можно определить время, потраченное на каждый из участков. Сложив их, получим время, потраченное на весь путь.

Ну а дальше по формуле. Объяснение кажется очень сложным, но на практике все решается в столбик за несколько минут. Попробуйте, сами в этом убедитесь.

Алгоритм на все случаи жизни

Для того чтобы наверняка избежать ошибки, при решении вопроса, как найти среднюю скорость, достаточно запомнить и выполнить простую последовательность действий:

• определить весь путь, просуммировав длины отдельных его участков;
• установить всё время пути;
• поделить первый результат на второй, неизвестные, не заданные в задаче величины при этом (при условии корректной формулировки условий) сокращаются.

В статье рассмотрены простейшие случаи, когда исходные данные приводятся для равных долей времени или равных участков пути. В общем случае соотношение хронологических промежутков либо пройденных телом расстояний может быть самым произвольным (но при этом математически определённым, выраженным конкретным целым числом или дробью). Правило обращения к соотношению v_ср = S : t абсолютно универсально и никогда не подводит, сколь бы сложные на первый взгляд алгебраические преобразования ни приходилось выполнять.

Напоследок отметим: для наблюдательных читателей не осталась незамеченной практическая значимость использования верного алгоритма. Правильно рассчитанная средняя скорость в приведённых примерах оказалась несколько ниже «средней температуры» на трассе. Поэтому ложный алгоритм для систем, фиксирующих превышения скорости, означал бы большее число ошибочных постановлений ГИБДД, высылаемых в «письмах счастья» водителям.

Длина шага человека

Для высчитывания средней скорости пешехода надо знать длину шага. Она зависит от таких факторов как пол, рост, раса, вес, походка (манера), и может колебаться от 30 см до 1 метра. Но определена среднестатистическая длина, для мужчины она составляет 0,76 м, а средняя длина шага женщины – 0,67 м.

Существует формула для определения средней длины шага в зависимости от роста

Дл.Ш = P:4 + 0,37

где:

      Дл.Ш – длина шага (м)

      P – рост.

Таким образом, средний шаг человека ростом 1,79 м составляет: Дл.Ш = 1,79 : 4 + 0,37 = 0,82 м.

Практически длину шага человека можно измерять опытным путем. Для этого необходимо отмерять участок длиной 10 метров, пройти по нему, подсчитывая количество шагов. Затем 10 м разделить на это количество, и получим длину одного.

Перемещение материальной точки

Пусть материальная точка совершает движение по оси X все время в одном направлении. Тогда перемещением этой материальной точки за отрезок времени $\Delta t=t_2-t_1$ будет отрезок $\Delta x=x_2-x_1$. Если материальная точка все время своего движения перемещалась в одном направлении, то пройденный путь ($\Delta s$) равен по модулю величине перемещения:

\

Если точка движется сначала в одном направлении, затем останавливается и движется в противоположном направлении, (например, так движется тело брошенное вертикально вверх) то путь равен сумме модулей перемещений в обоих направлениях:

\

Как рассчитать скорость бега

Скорость показывает, какое расстояние вы преодолеваете в единицу времени. Может измеряться в метрах в секунду или в километрах в час.

Скорость – первый критерий, главная мера для бегунов. Даже несмотря на то, что спортивные часы чаще фиксируют наш темп, чем скорость. При этом темп (pace) – величина, обратная скорости (speed). Темп измеряется в минутах на километр и показывает, сколько времени тратит человека на преодоление определенного расстояния.

Формула расчёта скорости:

Скорость (км/ч) = (расстояние/время в минутах)*60
Темп (мин/км) = время в минутах/расстояние

Формула расчёта скорости из показателя темпа:

Следите за новостями из мира бега в нашем телеграм-канале Бегущая строка.
Пишем коротко и по делу.

Скорость = 60/темп (км/ч) или 50/3*темп (м/с)

Способы вычисления среднего арифметического

Стандартная формула. Чтобы найти среднее арифметическое, нужно сложить все числа и поделить эту сумму на их количество. Формула выглядит так:

где

• x — среднее арифметическое;
• xⁿ — конкретное значение;
• n — количество значений.

Преимущества:

• подходит при нормальном распределении значений в выборке;
• легко считать;
• интуитивно доступно.

Недостатки:

• сложно представить распределение значений;
• можно запутаться в разных величинах.

Вычисление моды или наиболее часто встречающегося значения. Формула такая:

где

• M₀ — мода;
• x₀ — нижняя граница интервала, который содержит моду;
• n — величина интервала;
• fm — частота (сколько раз в ряду встречается то или иное значение);
• fm-1 — частота интервала предшествующего модальному;
• fm+1 — частота интервала следующего за модальным.

Преимущества:

• подходит для формирования общественного мнения;
• подходит для нечисловых данных;
• доступно для понимания.

Недостатки:

• моды может не быть при отсутствии повторов;
• мод может быть несколько (многомодальное распределение).

Не обязательно быть одаренным ребенком, чтобы хватать пятерки по математике. Нейробиологи говорят, что разница только в том, с какой скоростью дети учатся: обычный ребенок может выучить все то же самое, что и одаренный, только ему потребуется больше времени и усилий.

В современной школе Skysmart верят, что математика — для всех, просто каждому нужен свой подход. Запишите ребенка на бесплатный пробный урок, чтобы начать заниматься в своем темпе, с внимательным личным учителем и в удовольствие.

Вычисление медианы, то есть значения, которое делит упорядоченную выборку на две половины и находится между ними. Если такого значения нет, за медиану принимают среднее число между границами половин выборки. Формула выглядит так:

где

• Mₑ — медиана;
• x₀ — нижняя граница интервала, который содержит медиану;
• h — величина интервала;
• f i — частота (сколько раз в ряду встречается то или иное значение);
• Sm-1 — сумма частот интервалов предшествующих медианному;
• fm — число значений в медианном интервале (его частота).

Преимущества:

• дает самую реалистичную оценку;
• устойчива к выбросам.

Недостатки:

сложнее вычислить из-за необходимости упорядочивать.

Применить эти знания можно в любой сфере жизни, где нужно обобщить и дать среднюю оценку: в магазине, на работе, в диалоге с другом или во время презентации перед инвесторами. Еще пригодятся, чтобы рассчитать среднюю скорость движения.

Средняя скорость движения — это весь пройденный путь, поделенный на время движения. Формула:

Так мы рассмотрели самые основные методы нахождения среднего значения. Теперь осталось попрактиковаться на примерах, чтобы быстро решать задачки на контрольной.

Аналог «средней температуры» в механике

В каких случаях каверзно сформулированные условия задачи подталкивают нас к поспешному необдуманному ответу? Если говорится о «частях» пути, но не указывается их протяжённость, это настораживает даже мало искушённого в решении подобных примеров человека. А вот если в задаче прямо указывается на равные промежутки, например, «первую половину пути поезд следовал со скоростью…», или «первую треть пути пешеход прошагал соскоростью…», и далее подробно расписывается, как объёкт передвигался на оставшихся равных участках, то есть известно соотношение S₁ = S₂ = … = S_n и точные значения скоростей v_1, v_2, … v_n, наше мышление нередко даёт непростительную осечку. Считается среднее арифметическое скоростей, то есть все известные значения vскладываются и делятся на n. В итоге ответ получается неверный.