Physics For Scientists And Engineers 6E - part 8

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 8

 

 

S E C T I O N   2 . 2     •     Instantaneous Velocity and Speed

29

x(m)

t(s)

(a)

50

40

30

20

10

0

60

20

0

–20

–40

–60

!

$

%

&

#

"

40

60

40

(b)

"

!

"

"

"

represents the velocity of the car at the moment we started taking data, at point !.
What  we  have  done  is  determine  the  instantaneous  velocity at  that  moment.  In  other
words, 

the instantaneous velocity v

x

equals the limiting value of the ratio !x(!t

as !t approaches zero:

1

(2.4)

In calculus notation, this limit is called the derivative of with respect to t, written dx/dt:

(2.5)

The instantaneous velocity can be positive, negative, or zero. When the slope of the
position–time graph is positive, such as at any time during the first 10 s in Figure 2.3,
v

x

is positive—the car is moving toward larger values of x. After point ", v

x

is nega-

tive  because  the  slope  is  negative—the  car  is  moving  toward  smaller  values  of  x.  At
point ", the slope and the instantaneous velocity are zero—the car is momentarily at
rest.

From here on, we use the word velocity to designate instantaneous velocity. When it

is average velocity we are interested in, we shall always use the adjective average.

The 

instantaneous speed of a particle is defined as the magnitude of its instan-

taneous  velocity.  As  with  average  speed,  instantaneous  speed  has  no  direction
associated with it and hence carries no algebraic sign. For example, if one particle
has  an  instantaneous  velocity  of % 25 m/s  along  a  given  line  and  another  particle
has an instantaneous velocity of # 25 m/s along the same line, both have a speed

2

of 25 m/s.

v

x

 

!

 

lim

$

t

 

:

 

0

$

x

$

t

!

dx

dt

v

x

! lim

$

: 0

$

x

$

t

Active Figure 2.3 (a) Graph representing the motion of the car in Figure 2.1. (b) An

enlargement of the upper-left-hand corner of the graph shows how the blue line

between positions ! and " approaches the green tangent line as point " is moved

closer to point !.

At the Active Figures link at http://www.pse6.com, you can move point "

as suggested in (b) and observe the blue line approaching the green tangent

line.

Instantaneous velocity

1

Note that the displacement $also approaches zero as $approaches zero, so that the ratio

looks like 0/0. As $and $become smaller and smaller, the ratio $x/$approaches a value

equal to the slope of the line tangent to the x-versus-curve.

2

As with velocity, we drop the adjective for instantaneous speed: “Speed” means instantaneous

speed.

PITFALL PREVENTION

2.3 Instantaneous Speed

and Instantaneous
Velocity

In  Pitfall  Prevention  2.1,  we  ar-
gued  that  the  magnitude  of  the
average velocity is not the average
speed.  Notice  the  difference
when  discussing  instantaneous
values.  The  magnitude  of  the  in-
stantaneous velocity is the instan-
taneous speed. In an infinitesimal
time  interval,  the  magnitude  of
the  displacement  is  equal  to  the
distance  traveled  by  the  particle.

A  particle  moves  along  the  axis.  Its  position  varies  with
time according to the expression ! # 4% 2t

2

where is

in meters and is in seconds.

3

The position–time graph for

this  motion  is  shown  in  Figure  2.4.  Note  that  the  particle
moves in the negative direction for the first second of mo-
tion,  is  momentarily  at  rest  at  the  moment  ! 1 s,  and
moves in the positive direction at times & 1 s.

(A)

Determine the displacement of the particle in the time

intervals ! 0 to ! 1 s and ! 1 s to ! 3 s.

Solution During  the  first  time  interval,  the  slope  is  nega-
tive  and  hence  the  average  velocity  is  negative.  Thus,  we
know  that  the  displacement  between  ! and  " must  be  a
negative number having units of meters. Similarly, we expect
the displacement between " and $ to be positive.

In  the  first  time  interval,  we  set  t

i

!

t

A

!

0  and

t

f

!

t

B

!

1 s.  Using  Equation  2.1,  with  ! # 4% 2t

2

,  we

obtain for the displacement between ! 0 and ! 1 s,

To calculate the displacement during the second time inter-
val (! 1 s to ! 3 s), we set t

i

!

t

B

!

1 s and t

f

!

t

D

!

3 s:

These displacements can also be read directly from the posi-
tion–time graph.

(B)

Calculate the average velocity during these two time in-

tervals.

Solution In  the  first  time  interval,  $t

f

#

t

i

!

t

B

#

t

A

!

1 s.  Therefore,  using  Equation  2.2  and  the  dis-

placement calculated in (a), we find that

#

2 m/s

v

x(

A

 

:

 

B

!

$

x

A

 

:

 

B

$

t

!

#

2 m

1 s

!

%

8 m

!

 ! [#4(3) % 2(3)

2

] # [#4(1) % 2(1)

2

]

$

x

B

 

:

 

D

 

!

x

f

#

x

i

!

x

D

#

x

B

#

2 m

 !

 ! [#4(1) % 2(1)

2

] # [#4(0) % 2(0)

2

]

$

x

A

 

:

 

B

 ! x

f

#

x

i

!

x

B

#

x

A

30

C H A P T E R   2     •     Motion in One Dimension

Conceptual Example 2.2 The Velocity of Different Objects

Example 2.3 Average and Instantaneous Velocity

Consider the following one-dimensional motions: 

(A)

A ball

thrown  directly  upward  rises  to  a  highest  point  and  falls
back into the thrower’s hand. 

(B)

A race car starts from rest

and  speeds  up  to  100 m/s. 

(C)

A  spacecraft  drifts  through

space  at  constant  velocity.  Are  there  any  points  in  the  mo-
tion of these objects at which the instantaneous velocity has
the  same  value  as  the  average  velocity  over  the  entire  mo-
tion? If so, identify the point(s).

Solution (A)  The  average  velocity  for  the  thrown  ball  is
zero  because  the  ball  returns  to  the  starting  point;  thus  its
displacement  is  zero.  (Remember  that  average  velocity  is
defined as $x/$t.) There is one point at which the instanta-
neous velocity is zero—at the top of the motion.

(B)  The  car’s  average  velocity  cannot  be  evaluated  unam-
biguously with the information given, but it must be some
value  between  0  and  100 m/s.  Because  the  car  will  have
every  instantaneous  velocity  between  0  and  100 m/s  at
some time during the interval, there must be some instant
at which the instantaneous velocity is equal to the average
velocity.

(C)  Because  the  spacecraft’s  instantaneous  velocity  is  con-
stant,  its  instantaneous  velocity  at  any time  and  its  average
velocity over any time interval are the same.

10

8

6

4

2

0

–2

–4

0

1

2

3

4

t(s)

x(m)

$

!

"

#

Slope = 4 m/s

Slope = –2 m/s

Figure 2.4 (Example 2.3) Position–time graph for a particle

having an coordinate that varies in time according to the

expression ! # 4% 2t

2

.

In the second time interval, $! 2 s; therefore,

These values are the same as the slopes of the lines joining
these points in Figure 2.4.

(C)

Find the instantaneous velocity of the particle at ! 2.5 s.

Solution We can guess that this instantaneous velocity must
be of the same order of magnitude as our previous results,
that is, a few meters per second. By measuring the slope of
the green line at ! 2.5 s in Figure 2.4, we find that 

%

6 m/s

v

x

!

%

4 m/s

v

x(

B

 

:

 

D

!

$

x

B

 

:

 

D

$

t

!

8 m

2 s

!

3

Simply  to  make  it  easier  to  read,  we  write  the  expression  as
! # 4% 2t

2

rather than as ! (# 4.00 m/s)% (2.00 m/s

2

)t

2.00

.

When  an  equation  summarizes  measurements,  consider  its  coeffi-
cients  to  have  as  many  significant  digits  as  other  data  quoted  in  a
problem. Consider its coefficients to have the units required for di-
mensional consistency. When we start our clocks at ! 0, we usually
do  not  mean  to  limit  the  precision  to  a  single  digit.  Consider  any
zero  value  in  this  book  to  have  as  many  significant  figures  as  you
need.

!

"

!

t

f

t

i

v

xi

v

xf

v

x

a

x

 =

t

v

x

v

x

t

t

(b)

t

i

t

f

(a)

x

= v

xi

= v

xf

"

S E C T I O N   2 . 3     •     Acceleration

31

Figure 2.5 (a) A car, modeled as a particle, moving along the x

axis from ! to " has velocity v

xi

at t

i

and velocity v

xf

at t

f

.

(b) Velocity–time graph (rust) for the particle moving in a

straight line. The slope of the blue straight line connecting !

and " is the average acceleration in the time interval
$

t

f

#

t

i

.

The  average  acceleration  a–

x

of  the  particle  is  defined  as  the  change in  velocity

$

v

x

divided by the time interval $during which that change occurs:

2.3 Acceleration

In  the  last  example,  we  worked  with  a  situation  in  which  the  velocity  of  a  particle
changes while the particle is moving. This is an extremely common occurrence. (How
constant is your velocity as you ride a city bus or drive on city streets?) It is possible to
quantify changes in velocity as a function of time similarly to the way in which we quan-
tify changes in position as a function of time. When the velocity of a particle changes
with  time,  the  particle  is  said  to  be  accelerating.  For  example,  the  magnitude  of  the
velocity of a car increases when you step on the gas and decreases when you apply the
brakes. Let us see how to quantify acceleration.

Suppose an object that can be modeled as a particle moving along the axis has an

initial velocity v

xi

at time t

i

and a final velocity v

xf

at time t

f

, as in Figure 2.5a.

Average acceleration

(2.6)

As  with  velocity,  when  the  motion  being  analyzed  is  one-dimensional,  we  can  use

positive and negative signs to indicate the direction of the acceleration. Because the di-
mensions of velocity are L/T and the dimension of time is T, acceleration has dimen-
sions of length divided by time squared, or L/T

2

. The SI unit of acceleration is meters

per second squared (m/s

2

). It might be easier to interpret these units if you think of

them as meters per second per second. For example, suppose an object has an acceler-
ation of % 2 m/s

2

. You should form a mental image of the object having a velocity that

is along a straight line and is increasing by 2 m/s during every interval of 1 s. If the ob-
ject starts from rest, you should be able to picture it moving at a velocity of % 2 m/s af-
ter 1 s, at % 4 m/s after 2 s, and so on.

In  some  situations,  the  value  of  the  average  acceleration  may  be  different  over

different time intervals. It is therefore useful to define the instantaneous acceleration
as the limit of the average acceleration as $approaches zero. This concept is analo-
gous to the definition of instantaneous velocity discussed in the previous section. If
we imagine that point ! is brought closer and closer to point " in Figure 2.5a and
we  take  the  limit  of  $v

x

/$as  $approaches  zero,  we  obtain  the  instantaneous

acceleration:

(2.7)

a

x

 

 

 

lim

$

t

 

:

 

0

$

v

x

$

t

!

dv

x

dt

a

x

 

!

 

$

v

x

$

t

!

v

xf

#

v

xi

t

f

#

t

i

Instantaneous acceleration

That  is, 

the  instantaneous  acceleration  equals  the  derivative  of  the  velocity

with respect to time, which by definition is the slope of the velocity–time graph.
The slope of the green line in Figure 2.5b is equal to the instantaneous acceleration
at point ". Thus, we see that just as the velocity of a moving particle is the slope at a
point on the particle’s -graph, the acceleration of a particle is the slope at a point
on the particle’s v

x

-graph. One can interpret the derivative of the velocity with re-

spect to time as the time rate of change of velocity. If a

x

is positive, the acceleration

is  in  the  positive  direction;  if  a

x

is  negative,  the  acceleration  is  in  the  negative  x

direction.

For the case of motion in a straight line, the direction of the velocity of an object

and the direction of its acceleration are related as follows. 

When the object’s velocity

and  acceleration  are  in  the  same  direction,  the  object  is  speeding  up.  On  the
other  hand,  when  the  object’s  velocity  and  acceleration  are  in  opposite  direc-
tions, the object is slowing down.

To help with this discussion of the signs of velocity and acceleration, we can relate

the acceleration of an object to the force exerted on the object. In Chapter 5 we for-
mally establish that 

force is proportional to acceleration:

This proportionality indicates that acceleration is caused by force. Furthermore, force
and acceleration are both vectors and the vectors act in the same direction. Thus, let
us think about the signs of velocity and acceleration by imagining a force applied to an
object and causing it to accelerate. Let us assume that the velocity and acceleration are
in the same direction. This situation corresponds to an object moving in some direc-
tion  that  experiences  a  force  acting  in  the  same  direction.  In  this  case,  the  object
speeds  up!  Now  suppose  the  velocity  and  acceleration  are  in  opposite  directions.  In
this situation, the object moves in some direction and experiences a force acting in the
opposite direction. Thus, the object slows down! It is very useful to equate the direc-
tion of the acceleration to the direction of a force, because it is easier from our every-
day experience to think about what effect a force will have on an object than to think
only in terms of the direction of the acceleration.

F ) a

32

C H A P T E R   2     •     Motion in One Dimension

Quick Quiz 2.2

If a car is traveling eastward and slowing down, what is the

direction of the force on the car that causes it to slow down? (a) eastward (b) westward
(c) neither of these.

t

(b)

a

x

t

A

t

B

t

C

t

A

t

B

t

C

(a)

v

x

t

Figure 2.6 The instantaneous

acceleration can be obtained from

the velocity–time graph (a). At

each instant, the acceleration in

the a

x

versus graph (b) equals the

slope of the line tangent to the v

x

versus curve (a).

PITFALL PREVENTION

2.4 Negative 

Acceleration

Keep in mind that negative acceler-
ation  does  not  necessarily  mean  that
an object is slowing down. 
If the ac-
celeration is negative, and the ve-
locity  is  negative,  the  object  is
speeding up!

PITFALL PREVENTION

2.5 Deceleration

The word deceleration has the com-
mon popular connotation of slow-
ing down
. We will not use this word
in this text, because it further con-
fuses the definition we have given
for negative acceleration.

From now on we shall use the term acceleration to mean instantaneous acceleration.

When we mean average acceleration, we shall always use the adjective average.

Because v

x

!

dx/dt, the acceleration can also be written

(2.8)

That  is,  in  one-dimensional  motion,  the  acceleration  equals  the  second  derivative of  x
with respect to time. 

Figure 2.6 illustrates how an acceleration–time graph is related to a velocity–time

graph. The acceleration at any time is the slope of the velocity–time graph at that time.
Positive values of acceleration correspond to those points in Figure 2.6a where the ve-
locity is increasing in the positive direction. The acceleration reaches a maximum at
time  t

A

,  when  the  slope  of  the  velocity–time  graph  is  a  maximum.  The  acceleration

then goes to zero at time t

B

, when the velocity is a maximum (that is, when the slope of

the v

x

-graph is zero). The acceleration is negative when the velocity is decreasing in

the positive direction, and it reaches its most negative value at time t

C

.

a

x

!

dv

x

dt

!

d

dt

 

"

dx

dt

#

!

d

2

x

dt

2

 

 

 

 

 

 

 

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