Składanie prędkości i wybór układu współrzędnych

Pytanie

Pyta Sylwia

Pytanie związane z kinematyką, a konkretnie z ruchem w różnych układach odniesienia. Rozważmy taką sytuację: człowiek idzie w pociągu z prędkością $V_1$ przeciwnie do jego ruchu, załóżmy na zachód, a pociąg jedzie na wschód z prędkością $u$ względem ziemi. Prędkość człowieka w pociągu względem ziemi można obliczyć jako $V_2 = u – V_1$. Natomiast gdy rozwiązywałam zadanie w którym wiatr poruszał się względem ziemi z prędkością u, a samolot porusza się z prędkością $V_1$ w przeciwną stronę, to prędkość samolotu względem ziemi wynosiła $V_2 = V_1-u$. Dlaczego tu odjęliśmy prędkość wiatru która była względem ziemi, a nie jak wcześniej prędkość $V_1$? Co odejmujemy od czego?

Odpowiedź

Odpowiada Damian Zdulski

Prędkość człowieka względem ziemi zadana jest wzorem $\vec{v}_0=\vec{v}+\vec{u}$, gdzie $\vec{u}$ to prędkość unoszenia układu poruszającego się względem ziemi, np. samolotu, a $\vec{v}$ to prędkość w układzie poruszającym się. Należy zwrócić uwagę, że występująca w wzorze prędkość jest wektorem. Zatem oprócz wartości charakteryzuje ją jeszcze kierunek oraz zwrot. Aby znaleźć szukaną wielkość musimy przedstawić oba wektory za pomocą składowych jakie mają w bazie związanej z układem odniesienia nieporuszającym się względem ziemi  i następnie wykonać dodawanie.

I tak w zadaniu z pociągiem jeśli przyjmiemy, że układ nieruchomy względem ziemi ma oś x skierowaną na wschód wzdłuż kierunku ruchu pociągu, to nasze wektory mają  składowe $\vec{u}=(u,0,0)$, $\vec{v}=(-v,0,0)$, gdzie $u,v$ to odpowiednie wartości wektorów prędkości. Znak minus oznacza, że składowa x-owa wektora ma przeciwny znak niż oś x układu nieruchomego. Podstawiając do naszego wzoru na składanie prędkości dostajemy $\vec{v}_0=(u-v,0,0)$. Jednak gdybyśmy przyjęli, że układ nieruchomy ma oś x skierowaną na zachód, to otrzymalibyśmy $\vec{u}=(-u,0,0)$, $\vec{v}=(v,0,0)$ oraz ostatecznie $\vec{v}_0=(-u+v,0,0)=-(u-v,0,0)$.

Podsumowując, co od czego odejmujemy i czy w ogóle odejmujemy, zależy od usytuowania nieruchomego układu współrzędnych oraz jego osi. Jeśli dokonamy inwersji (tzn. zmiany kierunku) jakiejś osi układu współrzędnych to zmienią się też znaki składowych wzdłuż tej osi wszystkich wektorów. Jednak należy podkreślić, że nasz pierwotny wzór wektorowy pozostaje niezmienniczy względem transformacji układu współrzędnych.