הצגת המקור של הדף "העתק (פיזיקה)"

{{תקציר פורטל|פיזיקה}}[[קובץ:Distancedisplacement-he.svg|שמאל|ממוזער|270px|וקטור ההעתק לעומת הדרך שעשה גוף לאורך מסלול]]
ב[[מכניקה קלאסית]], וקטור ה'''העתק''' הוא ה[[וקטור (פיזיקה)|ווקטור]] הקצר ביותר המחבר בין נקודת [[מדידה]] התחלתית לנקודת מדידה סופית של מיקומו של גוף. כיוונו של וקטור ההעתק הוא ככיוון [[ישר]] דמיוני המחבר את שתי נקודות המדידה, וגודלו כאורך הישר. מתמטית, העתק מוגדר כ[[הפרש]] בין וקטור מיקום הגוף בסוף התנועה לווקטור מיקומו בתחילת ה[[תנועה (פיזיקה)|תנועה]]. מהגדרה זו ניתן להסיק כי וקטור ההעתק אינו מושפע מהדרך אותה הגוף עבר בין נקודות המדידה, אלא רק ממיקומו הסופי וההתחלתי. כלומר אם מיקום הגוף בזמן <math>t_1</math> היה <math>\vec{x_1}</math> וב- <math>t_2</math> היה <math>\vec{x_2}</math> הרי שווקטור ההעתק <math>\Delta \vec{x}</math> הוא <math>\Delta\vec{x}\;\overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=} \;\vec{x_2}-\vec{x_1}</math>. בהקשר זה האות היוונית <math>\Delta</math> ([[דלתא (אות)|דלתא]]) משמשת לציון [[הפרש]], שימוש נפוץ בה.

== מהירות ותאוצה ==
על בסיס ההעתק ניתן להגדיר [[מהירות]] של גוף - אפשר למדוד את מיקום הגוף בשתי נקודות סמוכת בזמן לרגע המבוקש, ולחשב את וקטור ההעתק על סמך שתי מדידות אלו. הממוצע ליחידת זמן של וקטור ההעתק יוגדר כווקטור ה[[מהירות ממוצעת|מהירות הממוצעת]] על המקטע המחבר את שתי הנקודות <math>\bar \vec{v} = \frac{\Delta \vec{x}}{\Delta t}</math>. בהנחה ותנועת הגוף רציפה, אזי ככל שהמדידות יהיו סמוכות יותר, כך גודל זה יתקרב למספר מסוים. מספר זה, אשר מבטא את ה[[גבול של סדרה|גבול]] כאשר <math>\Delta t</math> שואף לאפס מוגדר כווקטור המהירות הרגעית בנקודה (Velocity), וגודלו הוא המהירות (Speed) בנקודה.

דרך נפוצה להתייחסות למיקום גוף במרחב היא באמצעות [[פונקציה]] וקטורית <math>\vec{x}(t)</math> המחזירה עבור כל נקודה בזמן את וקטור מיקום הגוף. במקרה זה ניתן להציב בפונקציה שתי נקודות זמן <math>t_{i+1}</math>, <math>t_i</math> אשר ההפרש בין שני הערכים המוחזרים ייתן את וקטור ההעתק. באופן דומה לחישוב לעיל, ההעתק ה[[ממוצע]] ליחידת זמן יוגדר כווקטור המהירות הממוצעת: <math>\,\bar \vec{v}\;\overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=}\;\frac{ \vec{x}(t_{i+1})-\vec{x}(t_i)}{t_{i+1}-t_i}=\frac{\Delta \vec{x}}{\Delta t}</math>.  ופונקציית המהירות תוגדר באמצעות הגבול בו <math>\Delta t</math> שואף ל-<math>0</math>:<math>\vec{v}(t)\overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=}\lim_{\Delta t\to 0}\frac{\Delta \vec{x}}{\Delta t}=\lim_{\Delta t\to 0}{\frac{\vec{x}(t+\Delta t)-\vec{x}(t)}{\Delta t}}</math>, כלומר פונקציית המהירות היא ה[[נגזרת]] של פונקציית וקטור המיקום.

באופן דומה וקטור [[תאוצה|התאוצה]] מוגדר כווקטור שינוי המהירות הרגעית של הגוף ביחס לזמן.<math display="block">\vec{a}(t)=\lim_{\Delta t\to 0}{\frac{\vec{v}(t+\Delta t)-\vec{v}(t)}{\Delta t}}</math>

בתהליך ההופכי כדי למצוא את וקטור המהירות מבצעים [[אינטגרל|סכימה]] (אינטגרציה) על וקטור התאוצה, וכדי למצוא את ההעתק מבצעים סכימה על וקטור המהירות.

<math>\int \vec {a}dt=\vec{v} \; \; ; \int \vec{v}dt=\vec{\Delta x}</math>

== הגדרת אורך עקום התנועה ==
הגדרת וקטור ההעתק בין שתי נקודות אינה מאפשרת לחשב את אורך הדרך שעבר גוף בין שתי נקודות במקרה בו הגוף לא נע בצורה ישרה בין שתי הנקודות. לפיכך, כאשר רוצים לחשב את אורך הדרך אותה עבר הגוף, יש לחלק את תנועתו למקטעים קטנים ככל שניתן, ולחבר את אורכי ההעתקים המחושבים על סמך מדידות בתחילת ובסוף כל קטע.
[[קובץ:Arclength.png|ממוזער|354x354 פיקסלים|קירוב גודל עקומה S באמצעות חלוקה למקטעים]]


<math>S = \lVert  \Delta \vec x_1\rVert+ \lVert \Delta \vec x_2 \rVert \cdots \lVert \Delta \vec x_{n-1}
\rVert+\lVert \Delta \vec x_n\rVert= 
\sum^n_{i=1} \lVert  \Delta {\vec x_i} \rVert</math>

בהנחה והתנועה של הגוף רציפה, ככל שהחלוקה תהיה מעודנת יותר, כלומר תכיל מקטעים קצרים יותר, כך כל מקטע יתקרב לקו ישר וחישוב אורך הדרך יהיה מדויק יותר.

באופן דומה, כאשר נתונה פונקציה <math>\vec{x}(t)</math> המקבלת ערכים בטווח של <math>t_1<t<t_2</math> ומחזירה עבור כל נקודה בזמן את ווקטור המיקום של גוף הנע על מסלול <math>S</math>, ניתן לחלק את מסלול הגוף <math>S</math> למספר סופי <math>n
</math> של מקטעי תנועה המוגדרים על ידי נקודת התחלה בזמן ונקודת סוף בזמן <math>[t_i, t_{i+1}] 
</math>. בכל מקטע זמן שכזה, ניתן לבחור בנקודה <math>t^*_i
</math> השייכת לקטע, לחשב את גודל וקטור המהירות הרגעית באותה הנקודה <math>\left \Vert v(t^*_i) \right \Vert 
</math>, ולהכפיל בהפרש הזמנים <math>\Delta t_i = t_{i+1}- t_{i} 
</math>. כלומר לחשב את הביטוי <math>\left \Vert {\vec v(t^*_i)} \right \Vert\Delta t_i
</math> השווה בקירוב לווקטור ההעתק המוגדר על המקטע. 

כאשר [[סכום|נסכום]] את כל המקטעים, נקבל את הסכום הבא: <math>S=\sum^n_{i=1}\left \Vert {\vec v(t^*_i)} \right \Vert\Delta t_i</math>, אם קיים לפונקציה גבול כאשר אורך המקטעים <math>\Delta t</math> שואף ל-<math>0</math> אז נגדיר גבול זה כאורך הדרך או העקומה אותה עבר הגוף. על מנת לחשב את גודל הסכום, נזהה כי סכום זה מהווה [[סכום רימן]]. תכונתו של סכום רימן היא שאם הוא מתכנס כאשר אורך המקטעים <math>\Delta t</math> שואף ל-<math>0</math>, אזי הוא הופך ל[[אינטגרל]], ובפרט במקרה זה הוא מקבל את הביטוי: <math>\int_{t1}^{t2}{\left \Vert   {\vec v(t)} \right \Vert dt}</math> . 

כאשר פותחים את פונקציית המהירות הווקטורית לרכיבי [[וקטור יחידה|ווקטורי היחידה]] <math>x,y,z</math> מקבלים את הביטוי הבא: <math>S=\sum^n_{i=1}\left \Vert {\vec v(t^*_i)} \right \Vert\Delta t_i=

\int_{t1}^{t2} \sqrt{v^2_x\hat x + v^2_y \hat y + v^2_z \hat z }dt=
\int_{t1}^{t2} \sqrt{\dot x^2_x(t)\hat x + \dot x^2_y(t) \hat y + \dot x^2_z(t) \hat z }dt</math>.

== גוף קשיח ==
כאשר מנתחים תנועה של [[מכניקה של גוף קשיח|גוף קשיח]] וקטור ההעתק צריך להכיל גם את התנועה הסיבובית אותה עבר הגוף, ולכן במקרה כזה ההעתק לאורך הדרך יקרא ההעתק הליניארי של הגוף, ההעתק הסיבובי (המתאר את הזווית אותה עבר הגוף) יקרא העתק זוויתי וההעתק הכולל יהיה [[צירוף ליניארי|הצירוף הליניארי]] של שניהם.

== מערכות ייחוס ==
עקרון היחסות של גלילאו קובע שחוקי ה[[פיזיקה]] הם זהים בכל שתי [[מערכת ייחוס|מערכות ייחוס]] הזזות במהירות קבועה זו יחסית לזו, ולכן אין אפשרות להבדיל בין מערכות הייחוס מי מהן נעה ומי מהן ניצבת, אלא ניתן לדבר רק על הפרש המהירויות בין שתי המערכות. מכאן שאין שום משמעות למיקום ללא מערכת ייחוס, ובהתאמה אין משמעות להעתק ללא מערכת ייחוס. לדוגמה: רכבת נעה במהירות <math display="inline">\vec{u}</math> ונוסע הולך בתוך הרכבת במהירות <math display="inline">\vec{v}</math>, אם מערכת הייחוס היא הרכבת עצמה, ההעתקו של האדם יבוטא לפי סכימה של מהירות הליכתו כלומר, <math display="inline">.\int(\vec{v})dt=\vec{v}t</math> אך אם מערכת הייחוס היא מערכת אינרציאלית יחסית לרכבת אזי וקטור העתקו יבוטא על ידי סכימה של מהירות הרכבת בנוסף למהירות הנוסע כלומר, <math display="inline">.\int(\vec{u}+\vec{v})dt=\vec{u}t+\vec{v}t</math> מכאן שבמערכות ייחוס שונות יהיו העתקים שונים לאותו הגוף שנע, ושיש חשיבות רבה לבחירת מערכת הייחוס ממנה מודדים את המיקום וההעתק של הגוף. באופן דומה ניתן להראות זאת תוך שימוש בעקרונות [[תורת היחסות הפרטית|היחסות הפרטית]] [[הכללה (מתמטיקה)|המכליל]] את עקרון היחסות של גלילי למהירויות הקרובות ל[[מהירות האור]].

==קישורים חיצוניים==
{{ויקישיתוף בשורה}}
* {{בריטניקה}}
* [https://www.youtube.com/watch?v=D5oU69V8FeI&list=PLAADC57969D354460&index=34 הרצאה על חישוב אורך עקומת תנועת גוף מתוך הקורס חדווא 2מ של ה[[טכניון]]]
[[קטגוריה:מכניקה]]
[[קטגוריה:גדלים פיזיקליים]]