Bevægelse (fysik): Definition — kinematik, hastighed og acceleration
Forstå bevægelse: kinematikens definitioner, relative positioner, hastighed og acceleration — en klar guide til Newtons principper, referencepunkter og dynamik.
Bevægelse er den tilstand, hvor noget ændrer sin position eller ændrer det sted, hvor noget befinder sig. En fugl, der flyver, er i bevægelse. Det samme er en person, der går. De ændrer, hvor de er — de «bevæger» sig fra et sted til et andet. Mange områder inden for videnskab og matematik beskæftiger sig med bevægelse for at beskrive, forudsige eller forstå, hvordan objekter ændrer position over tid.
Position og referenceramme
Position er ikke absolut, men relativ til et valgt referencepunkt eller en referenceramme. Som det blev påvist af videnskabsmænd som Galilei og Newton, afhænger et objekts position af, hvor det befinder sig i forhold til andre objekter. En bold kan for eksempel være 150 cm (5 fod) fra en kasse, 91 cm (3 fod) fra en stol og 30 cm (1 fod) fra et bord. Kassen, stolen og bordet fungerer som referencepunkter, som beskriver boldens relative position.
Et objekts bevægelse beskrives også relativt — det afhænger af, hvordan dets position ændrer sig i forhold til et valgt referencesystem. For eksempel:
En person sidder i et tog (tog A). Toget står stille i forhold til sporet. Udenfor ser personen et andet tog (tog B), som bevæger sig i samme retning. Hvis tog B bevæger sig bagud i forhold til sporet, kan det fra personens synspunkt i tog A se ud, som om A bevæger sig i forhold til B. Hvis personen derimod kan se en pæl ved siden af sporene, vil det blive klart, at det var tog B, der bevægede sig. Pælen fungerer her som referenceramme.
Konklusionen er, at bevægelse kun giver mening, når man angiver en referenceramme — uden dette er udsagnet «et objekt bevæger sig» ufuldstændigt.
Kinematik: beskrivelse af bevægelse
Studiet af bevægelse uden at fokusere på årsagen til bevægelsen kaldes kinematik. Kinematik beskriver, hvordan positionen ændrer sig over tid ved hjælp af størrelser som hastighed, hastighed og acceleration. (Bemærk: I daglig tale bruger man ofte fart om skalar størrelsen og hastighed om vektorstørrelsen — fart angiver hvor hurtigt en distance tilbagelægges, mens hastighed angiver både hvor hurtigt og i hvilken retning.)
De centrale kinematiske størrelser kan skrives matematisk (i én dimension) som:
- Position x(t) — angiver objektets placering som funktion af tiden.
- Forskydning Δx = x2 − x1 — ændringen i position mellem to tidspunkter.
- Gennemsnitlig hastighed/fart v̄ = Δx / Δt — forholdet mellem forskydning og tidsinterval.
- Øjeblikkelig hastighed/hastighed v(t) = lim(Δt→0) Δx/Δt = dx/dt — hastigheden i et bestemt øjeblik (vektor).
- Acceleration a(t) = dv/dt = d²x/dt² — hvordan hastigheden ændrer sig over tid (m/s² i SI-enheder).
Hastighed, fart og acceleration
Fart (skalar) angiver hvor hurtigt et objekt bevæger sig uanset retning (enhed: m/s). Hastighed (vektor) angiver både størrelse og retning — fx 10 m/s mod nord. Acceleration beskriver ændringen i hastighed pr. tid (m/s²). Hvis accelerationen er positiv, øges hastigheden i den valgte retning; er den negativ, aftager hastigheden (ofte kaldet retardation).
For bevægelser med konstant acceleration gælder simple sammenhænge (i én dimension):
- v = v0 + a·t
- x = x0 + v0·t + ½·a·t²
- v² = v0² + 2·a·(x − x0)
Her er v0 og x0 begyndelseshastighed og -position, t tiden og a accelerationen.
Dynamik: årsager til bevægelse
Dynamik er den gren af fysikken, der undersøger årsagerne til bevægelse — altså kræfterne og deres virkninger. Dynamik beskæftiger sig med begreber som kraft, inerti, arbejde, energi og momentum. Newtons love er fundamentale i klassisk dynamik og forbinder kræfter med de resulterende bevægelser.
Referencerammer: inertielle og ikke-inertielle
En inertiel referenceramme er en, hvor objekter uden påvirkning fra ydre kræfter bevæger sig med konstant hastighed (Newton 1. lov gælder). En ikke-inertiel referenceramme accelererer, og i sådanne rammer optræder tilsyneladende kræfter (fx centrifugalkraft), som må medregnes for at beskrive bevægelse korrekt i den ramme.
Eksempler og anvendelser
- Dagligdags: at gå, køre bil, flyvning — beskrives gennem position, fart/hastighed og acceleration.
- Teknik: beregning af motorers acceleration, bremseafstand for biler (brug af de konstante-accelerations-formler).
- Astronomi: planeters bevægelser beskrives kinematisk og dynamisk ved hjælp af tyngdekraften.
- Sport: træning og analyse af løberes, cyklisters eller boldes bevægelser med mål om at optimere præstation.
At forstå bevægelse kræver altså både præcise begreber (position, fart/hastighed, acceleration) og angivelse af den ønskede referenceramme. Kinematik giver sprog og værktøjer til at beskrive bevægelsen, mens dynamik forklarer, hvorfor den sker.
En bille, der bevæger sig gennem luften
Dyrs bevægelser
Dyrs bevægelser styres af nervesystemet, især hjernen og rygmarven.
De muskler, der styrer øjet, styres af synsnerven i mellemhjernen. Alle kroppens frivillige muskler styres af motoriske neuroner i rygmarven og i baghjernen. Rygmarvets motoriske neuroner styres af neurale kredsløb i rygmarven og af input fra hjernen. Rygmarvskredsløbene udfører mange refleksreaktioner og udfører også rytmiske bevægelser som f.eks. gang og svømning. De nedadgående forbindelser fra hjernen giver en mere sofistikeret kontrol.
Hjernen har flere områder, der projicerer direkte til rygmarven. På det højeste niveau ligger den primære motoriske cortex. Det er en strimmel væv bagest i frontallappen. Dette væv sender en massiv projektion direkte til rygmarven gennem pyramidebanen. Dette giver mulighed for præcis frivillig kontrol af de fine detaljer i bevægelserne. Der er andre hjerneområder, som påvirker bevægelser. Blandt de vigtigste sekundære områder er den præmotoriske cortex, basalganglierne og lillehjernen.
| Områder i hjernen, der anvendes til kontrol af bevægelser | ||
| Område | Placering | Funktion |
| Ventralhorn | Rygmarv | Indeholder motoriske neuroner, der direkte aktiverer musklerne |
| Oculomotoriske kerner | Midthjerne | Indeholder motoriske neuroner, der direkte aktiverer øjenmusklerne |
| Cerebellum | Baghjerne | Kalibrerer præcision og timing af bevægelser |
| Forebrain | Valg af handling på grundlag af motivation | |
| Motorisk cortex | Frontallappen | Direkte kortikal aktivering af rygmarvsmotoriske kredsløb |
| Præmotorisk cortex | Frontallappen | Grupperer elementære bevægelser i koordinerede mønstre |
| Supplerende motorisk område | Frontallappen | Sekvenserer bevægelser i tidsmæssige mønstre |
| Frontallappen | Planlægning og andre udøvende funktioner | |
Desuden styrer hjernen og rygmarven det autonome nervesystem. dette system fungerer ved at udskille hormoner og ved at modulere tarmens "glatte" muskler. Det autonome nervesystem påvirker hjertefrekvens, fordøjelse, åndedrætsfrekvens, spytdannelse, svedproduktion, vandladning, seksuel ophidselse og flere andre processer. De fleste af dets funktioner er ikke under direkte frivillig kontrol. Flere af dem, f.eks. respirationen, kan også styres direkte.
Relaterede sider
- Newtons love om bevægelse
- Transport
- Navigation
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er bevægelse?
A: Bevægelse er den tilstand, hvor noget ændrer sin position eller ændrer det sted, hvor noget befinder sig.
Spørgsmål: Hvem er Galilei og Newton?
A: Galilei og Newton var videnskabsmænd, der studerede bevægelse, og deres arbejde hjalp os med at forstå, at position er relativ, hvilket betyder, at en objekts position afhænger af, hvor den befinder sig i forhold til andre objekter.
Sp: Hvad undersøger kinematik?
A: Kinematik undersøger en objekts bevægelse uden at tage hensyn til årsagen til den. Den beskæftiger sig med begreber som hastighed, hastighed og acceleration.
Spørgsmål: Hvad undersøger man i dynamik?
Svar: Dynamik undersøger bevægelsens årsager og virkninger. Den beskæftiger sig med kraft, inerti, arbejde, energi og momentum.
Spørgsmål: Hvordan hjælper referencepunkter med at definere et objekts position?
A: Referencepunkter er med til at definere et objekts position ved at give en referenceramme for observation. Hvis man f.eks. fortæller nogen, hvor langt væk en bold er fra andre genstande som f.eks. en kasse, en stol eller et bord, kan de bestemme dens relative position i forhold til disse genstande.
Spørgsmål: Hvordan kan bevægelse observeres forskelligt afhængigt af en referenceramme?
A: Bevægelser kan observeres forskelligt afhængigt af, hvilken referenceramme man anvender, når man observerer dem. Hvis to tog f.eks. står i samme retning, men det ene bevæger sig baglæns, mens det andet står stille, vil det indefra tog A se ud som om, at de bevæger sig mod tog B, selv om de i virkeligheden slet ikke har bevæget sig. Dette kan kun ses, hvis der er et andet referencepunkt, f.eks. en pæl ved siden af begge tog, som viser, at tog A står stille, mens tog B har bevæget sig baglæns.
Søge