Abiadura

magnitude fisiko bektoriala, objektu batek denbora-unitateko egiten duen desplazamendua adierazten duena

Abiadura izeneko magnitude fisikoak puntu material batek norabide jakin batean denbora-unitateko duen desplazamendua adierazten du. Magnitude hau bektorea da, (edo ) sinboloaz adierazi ohi da, eta denborarekiko posizio-aldaketa adierazten du. Hizkera arruntean, abiadura bektorearen moduluari lastertasuna ere esaten zaio.

Abiadura
Formula
Formulako ikurra
Ohiko ikurra , , , , eta
Neurtzeko unitatea Metro segundoko
Dimentsioa
Aurkitzailea edo asmatzailea Pierre Varignon
Nondik kalkulatua Posizio eta iraupen

Analisi dimentsionalean, hauxek dira abiaduraren dimentsioak oinarrizko magnitudeen funtzioan: . Hortaz, nazioarteko SI sisteman, abiaduraren unitatea edo da («metro segundoko» edo «metro zati segundo» irakurtzen da).

Beti ere, abiadura bektorea erreferentzia-sistema batekiko definitzen da. Hortaz, abiadura oro erlatiboa da, erreferentzia-sistema jakin bati baitagokio, erlatibitate bereziak postulatu gisa hartzen duen argiaren abiadura () izan ezik, zeinak balio berbera duen sistema guztietan.

Abiadura kontzeptuaren historiaAldatu

Nahiz eta gaur egun, abiadura kontzeptua nahikoa barneraturik daukagun irakaskuntzan eta gizartean, oso prozesu luzea behar izan zen, lehenik, naturan presente dagoen etengabeko higiduraren ulermenera iristeko, eta gero, gaur egun fisikan erabiltzen ditugun abiadura eta azelerazioa bezalako kontzeptuak zehazteko.

 
Aristotelesen bustoa Erroman.

AristotelesAldatu

Grezia zaharreko naturaren filosofoak K.a. VII. mendearen inguruan hasi ziren Naturan gertatzen ziren higiduren izaerari buruzko ideiak lantzen.enbait mende geroago, haien lanen sintesia egin zuen Aristoteles-ek (K.a. 384-322). Berak idatzitako Fisika izeneko lanean adierazi zuenez, Naturako materia orok du higidura-printzipio bat —ohar gisa diogun ezen «physis» (φύσις, grezieraz idatzita) hitzak  “natura” esan nahi zuela greziera zaharrean—, eta printzipio horren arabera sorturiko higidura naturalak aztertu zituen. Beraren iritziz, berez erortzen ari zen gorputz orok abiadura jakin bat lortzen zuen, eta gorputzaren pisuak zerikusi funtsezkoa zuen abiaduraren balioan, honelakoa hain zuzen: pisu desberdineko bi gorputz kontsideraturik, batak bestearen pisu bikoitza bazuen, abiadura ere bikoitza izango zuen. Bistan denez, ez zuen ondo ulertu abiadura kontzeptua, eta ez zuen neurketa zehatzik egin gorputzen abiaduren balioa zenbatesteko; aitzitik, Aristotelesek deskribatu egin zituen higiduraren inguruko fenomenoak, baina matematika erabili gabe; eta zehaztasunik gabe.

Erdi Aroko aurrerapausoakAldatu

Aristotelesengandik poliki-poliki aldenduz, Erdi Aroan asko aurreratu zen abiadura kontzeptua ulertzeko ahaleginean, denbora neurtzeko erlojuetan eginiko aurrerapenak baliatuz, besteak beste. Horrela, abiaduraren balioen estimazioak egiten hasi ziren, eta horregatik, gaur egungo zenbait ikertzailek Galileo-ren lanen ikusi dituzte Oxford-eko eta Parisko unibertsitateetan garai haietan eginiko lanetan.

 
Galileo Galilei (1564-1642)

GalileoAldatu

Galileo Galilei (1564-1642) izan zen abiadura kontzeptua zehazki eta sistematikoki aztertu zuen lehena. Horretarako, esperimentu egokiak diseinatu zituen abiadura neurtu ahal izateko. Funtsezkoak izan ziren plano inklinatuan erortzen ziren gorputzekin eginiko saiakuntzak. Haietan, Galileo gai izan zen denbora zehazki neurtzeko penduluaren bidez, baita denbora-tarte zehatz batean solidoek ibilitako bidea edo distantzia neurtzeko ere. Era horretan zehaztu eta definitu zuen abiadura kontzeptua, esanez ezen abiadura «gorputzek denbora-unitatean ibilitako distantzia» dela.  

Definizio horrek aurrerapen handia ekarri zuen, baina mugaturik egon zen hasieran, garai hartako matematikaren gaitasun mugatuagatik. Kasurako, posible —eta erraz— zen abiadura konstanteaz higitzen ari zen higikari baten abiadura kalkulatzea. Halaber posible zen azelerazio konstanteaz ari zen higikariaren abiadura kalkulatzea, hala nola Galileok berak aztertu zituen erorketa askeko kasuetako abiadurak lortzea. Nolanahi ere, higikariaren abiadura modu korapilatsuagoan aldatzen zenean, garai hartan ez zegoen tresna matematiko egokirik kalkuluak egiteko.

 
Isaac Newton (1643-1726)
 
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716)

Newton eta LeibnitzAldatu

Horretarako, XVII. mendearen bukaera aldera itxaron behar izan zen, Newton eta Leibinitzen lanen emaitzak ezagutu arte. Biek ala biek, ia aldi berean eta modu independentean garatu zuten kalkulu infinitesimala, eta horrela ebatzita geratu zen higikari batean aldiuneko abiadura kalkulatzeko problema. Labur esanda, kalkulu infinitesimalean bi arlo bereizten dira kalkulu diferentziala, deribatuak aztertzen dituena, eta kalkulu integrala, integralen izaeraz ari dena, biak elkarrekin koherenteak izanik. Hain zuzen, Newtonen irakasle izandako Isaac Barrow-ek (1630-1677) frogatu zuenez, deribazioa eta integrazioa alderantzizko eragiketak dira.

Ordutik aurrera esan dezakegu «abiadura higikariaren posizioaren denborarekiko deribatua» dela. Eta bide beretik aurrera eginez, XVIII. mendearen hasierakin, 1700ean, Pierre Varignon-ek (1654-1722) formalizatu egin zuen azelerazioaren definizioa hain zuzen ere «azelerazioa abiaduraren denborarekiko deribatua» zela zehaztuz.


 
Partikula puntualaren higidura deskribatzeko elementuak.

Partikula puntualaren higiduraAldatu

Alboko irudian marrazturik ageri dira partikula puntual baten higidura definitzen duten elementuak: erreferentzia-sistema ( ), behatzailea ( ), ibilbidea (  kurba), hasierako posizioa ( ,   aldiuneari dagokiona),   aldiuneko posizioa (  puntua),  aldiuneko posizioa (  puntua),   puntuaren posizio-bektorea ( ),   puntuaren posizio-bektorea ( ),   ibilbide-tartearen arku-luzera ( ),   bektorea ( ), ( ) denbora tartea ( ).

Batez besteko abiadurakAldatu

Lehenik, bi eratan definituko ditugu batez besteko abiadurak:

  • Eskalarki:  . Batez besteko abiadura eskalar hau da ibilbidearen arkutik ibilitako bidearen eta pasatutako tartearen arteko zatidura, ibilbide osoa kontuan izanik.
  • Bektorialki:   . Izatez, balio honek ez dauka interpretazio orokorrik, ibilbidearen formaren araberakoa baita. Dena den, aurrerago aldiuneko abiadura definitzeko erabiliko dugu.
 
Ford markako automobil baten abiadura-neurgailua, aldiuneko abiadura   eta  unitatetan adieraztekoa.

Aldiuneko abiadurakAldatu

Honetan ere bi modutara definituko ditugu:

  • Aldiuneko abiadura eskalarra batez besteko abiadura eskarralaren limite modura definituko dugu, denbora-tartea zerorantz doanean:
     
    Abiadura hau da automobilen abiadura-neurgailuan adierazten dena
  • Aldiuneko abiadura bektoriala ere antzera definitzen da, baina kasu honetan batez besteko abiadura bektorialaren limite modura:
     

     
    Puntu bakoitzeko abiaduraren norabidea ibilbidearen ukitzailearena da.
    Ezkerraldeko irudian ikus daitekeenez, aldiuneko abiadura bektorialaren norabidea ibilbidearen zuzen ukitzailearena da. Hauxe da abiadura bektorea.

Ondorioz, era honetan adieraz daiteke aldiuneko abiadura bektorea, ibilbideko puntu bakoitzeko lerro ukitzailearen norabideko   bektore unitarioaren bidez:

 
Bestetik, aldiuneko abiadura bektorea posizio-bektorearen osagaien bidez ere adieraz daiteke, honelaxe:
 
Adierazpen horretan,  eta   abiadura bektorearen hiru osagai kartesiarrak dira. Osagaiok kontuan izanik, hauxe da aldiuneko abiadura bektorearen modulua:
 
Bistan denez, aldiuneko abiadura eskalarraren balioa aldiuneko abiadura bektorialaren moduluaren berdina da. Ohar modura esan dezakegu ezen batzuetan euskaraz, frantsesez eta ingelesez izenez bereizten direla bi kontzeptu horiek, aldiuneko abiadura eskalarrari «lastertasuna» deituz («celerité» frantsesez eta «speed» ingelesez), eta abiadura bektorialari, «abiadura», «velocité» eta «velocity», hurrenez hurren.

Posizioaren adierazpena abiadura eta denboraren funtzioanAldatu

Aldiuneko abiaduraren definiziotik abiaturik, eta hasierako posizioa ( ) eta abiadurak denboraren funtzioa daukan   balioa zein diren jakinik, modu errazean kalkula daiteke zein izango den partikularen posizioa,  , edozein   aldiunetan. Era honetan egin daitezke kalkuluak:

 
 
 
 
Integral hori kalkulatzeko, abiadura nola aldatzen den jakin behar da aldez aurretik, alegia,   funtzioa nolakoa den jakin behar da. Abiadura konstantea den kasuan, oso erraz lortzen da emaitza:
 

Abiadura kontzeptu erlatiboa daAldatu

Zer gertatzen da erreferentzia-sistema aldatzen denean? Elkarrekiko higitzen ari diren behatzaile guztiek modu berean neurtzen ote dute puntu material jakin baten abiadura? Galdera hohriei erantzuteko, bi kasu sinpletan aztertuko dugu arazoa: elkarrekiko translazioko higidura zuzen uniformea duten bi erreferentzia-sistemaren kasuan, eta elkarrekiko biraketa-higidura konstantea duten sistemen kasuan.

 
 sistema   abiadura konstantez higitzen ari da   sistemarekiko.

Elkarrekiko translazio-higidura zuzen eta uniformea duten bi erreferentzia-sistemaren kasuaAldatu

Kontsidera dezagun bi erreferentzia-sistema paralelo ditugula,   eta   sistemak, bakoitza bere behatzailearekin,   eta  , alboko irudian ageri den bezala. Bigarren sistema   abiadura konstantez higitzen ari da lehenarekiko, eta   aldiunean bi sistemak kointzidenteak izan direla onartuko dugu, hots, aldiune horretan  izan dela.

Beraz, edozein   aldiunetan, bigarren sistemaren jatorriak lehenengo sisteman duen posizio-bektorea

 
izango da. Hortaz,   puntuaren posizioa neurtzean, bi behatzaileek bektore desberdinak neurtuko dituzte,   eta  , bi bektore horien artean erlazio hau izanik:  
 

Abiaduren batuketa mekanika klasikoanAldatu

Eta mekanika klasikoan denbora bi behatzaileentzat modu berean pasatzen denez, berdintza horren alde biak denborarekiko deribatuz, bi behatzaileek neurtzen dituzten abiaduren arteko erlazioa lortuko dugu:

 
 
Ikus dezakegunez, bi behatzaileek neurtzen dituzten abiadurak desberdinak dira; hain zuzen, lehenengo behatzaileak neurturiko   abiaduraren balioa beste bi abiaduren batura da, hots,   Agerikoa denez, abiaduraren balioa kontzeptu erlatiboa da, neurketako erreferentzia-sistemaren araberakoa.

Elkarrekiko biraketa-higidura duten bi erreferentzia-sistemaren kasuaAldatu

 
Elkarrekiko biraka ari diren bi erreferentzia-sistemaren kasua.

Oraingoan, alboko irudian ageri den moduko higidura erlatiboa duten bi erreferentzia-sistemaren kasua aztertuko dugu. Kontsideratuko dugu   sistema geldi dagoela eta   sistema biraka ari dela   puntutik pasatzen den ardatz baten inguruan   abiadura angeluar konstanteaz.

Jatorri bereko bi sistema direnez, posizio-bektoreak berberak izango dira denbora guztian, baina sistema bakoitzean osagai desberdinak izango dituzte:

 
 
Bi sistemetan partikulak dituen abiadurak kalkulatzeko, denborarekiko deribatuak kalkulatu behar dira. Dena den, hemen ez dugu deribazio-prozesua zehatz-mehatz aztertuko; bakarrik jarriko dugu azken emaitza:[1]
 
Bistan denez, bi behatzaileek neurtzen dituzten abiadurak desberdinak dira, eta horretan eragin zuzena du baita bigarren sistemaren   abiadura angeluarrak ere.

Abiadura neurtzeko unitateakAldatu

Abiadura hainbat arlotan erabiltzen denez, ohitura dago unitate espezifikoak erabiltzeko bizimodu arrunteko arloan arloko praktikan.

Nazioarteko SI unitate-sistemaAldatu

Oro har, zientziaren arlo gehienetan unitate estandarrak erabiltzen dira, alegia, SI sistemako zazpi oinarrizko unitateetatik eratorritakoak. Hortaz, abiaduraren dimentsio-ekuazioa,  , kontuan izanik,

  • zientzian erabili ohi den unitatea «metro zati segundo» (edo «metro segundo minus bat» edo «metro segundoko») da. Era sinbolikoan honelaxe adierazten da:   edo  .  

Nolanahi ere, SI sistemakoak izan gabe, unitate hauek ere erabiltzen dira askotan:

  • Ibilgailuen kasuan, ohikoena «kilometro orduko» unitatea da, eta   sinboloaz adierazten da.
  • Abiadura oso handien kasuan, argiarenean adibidez, «kilometro segundoko» unitatea,   sinboloaz adierazten dena.

CGS sistema (sistema zegesimala)Aldatu

Zientziaren zenbait arlotan ohitura dago, antzina arrunta zen CGS sistemako abiadura-unitatea erabiltzeko, alegia:

  • «zentimetro segundoko» unitatea da,   sinboloaz adierazten dena.

Unitate-sistema anglosaxoiaAldatu

Lurralde anglosaxoietan beren tradiziozko unitate-sistema erabiltzen segitzen dute bizimodu arruntean, nahiz eta zientziaren arloan SI sistema nagusitzen ari den gero eta gehiago. Hona hemen sistema anglosaxoizko abiadura-unitateak:

  • «oin segundoko» unitatea,   sinboloduna.
  • «milia orduko» unitatea,   sinboloduna, ibilgailuetan ohikoena.
  • «milia segundoko» unitatea,   sinboloduna.

Itsas nabigazioko unitateaAldatu

Itsasoko nabigazioan «korapiloa» deritzon unitate berezia erabiltzen da; beraren sinboloa   da (ingelesezko «knot» hitzetik sortua)

  • Korapilo bateko abiadura ordubetean «itsas milia bat ibiltzean eginiko» desplazamenduari  dagokio. Beraren sinboloa   da. Itsas milia bat («milia nautikoa» ere deitua)  -ren baliokidea denez, baliokidetza hau du:
     
    Ohar gisa diogun ezen lehorrean erabili ohi den «milia»-aren balioa   dela.

Aeronautikako unitate bereziaAldatu

Aeronautikan, abiadura handiko hegazkinen kasuan, soinuak atmosferan baldintza berezietan duen abiadura hartzen da erreferentziatzat. Hain zuzen, itsas mailan airearen hezetasuna  -eko izanik eta  -eko tenperaturan neurturik, soinuaren abiadurak   m/s balio du (hots,  ).

Soinuaren abiadura hori oinarri hartuta, «Mach zenbakia» izeneko abiadura erlatibo bat definitzen da, hegazkinaren abiaduraren,  , eta soinuaren abiaduraren,  , zatidura modura.

 
Mach zenbakiaren osagai dimentsionalak kalkulatzean, emaitza hau lortzen da:
 
Concorde hegazkin supertsonikoa airean.

 

Agerikoa denez, zenbaki adimentsionala da, logikoa dena bestalde, hegazkina soinuaren abiadura baino zenbat aldiz bizkorrago dabilen adierazten baitu soilik. Adibidez,   abiaduraz doan hegazkina soinua baino bi aldiz bizkorragoan dabil, hots,   abiaduran. Normalean, gerra-hegazkinak baino ez dabiltza tarte labur batzuetan soinua baino bizkorrago. Orain arte bi hegazkin komertzial supertsoniko baino ez dira fabrikatu eta erabili. Lehena Tupolev Tu-144a hegazkin sobietarra izan zen, 1968-1978 bitartean erabili zena. Bigarrena Frantziak eta Erresuma Batuak fabrikaturiko Concorde izenekoa, 1969 eraikia, 1976an komertzialki erabiltzen hasia, eta 2000. urtean istripu bat izan ondoren, bere hegaldiak 2003an amaitu zituena.

Argiaren abiaduraAldatu

Erlatibitatearen teoriaren ondorioak kontuan izanik, argiaren abiadurak ezaugarri berezia du: argiak hutsean duen abiadura konstante unibertsala da. Pisu eta Neurrien Nazioarteko Batzordearen (frantsesez, Comité international des poids et mesures, CIPM)[1] azpibatzorde baten proposamena kontuan harturik, oinarrizko zazpi unitateen definizioa zazpi konstante unibertsalen bidez ematea erabaki zen 2018ko 26. Batzar Orokorrean. Aukeratutako zazpi konstante horietako bat argiaren abiadura da. Hain, zuzen argiak hutsean duen abiadurak  balio du.

Abiadura mekanika erlatibistanAldatu


Mekanika erlatibistan, aldatu egin behar dira mekanika ez-erlatibistaren atalean esandako zenbait kontzeptu, bereziki goragoko atal batean elkarrekiko translazio-higidura zuzen eta uniformea duten bi erreferentzia-sistemaren kasuan azaldutako transformazioei buruzkoak. Izan ere, jadanik denbora eta espazioa ez dira kontzeptu absolutuak, eta bi sistemetako behatzaileek (  eta  ) neurtzen dituzten abiaduren arteko transformazio-ekuazioak desberdinak baitira.

Ondorioz, abiaduren batuketa egitean, jadanik ez da betetzen mekanika klasikoaren ekuazio sinplea —alegia,   batuketa—. Aitzitik, mekanika erlatibistan transformazio ekuazio hau hartu beharko dugu kontuan:[2]

 
Horrek mekanika ez-erlatibitaren arloan ulertu ezin diren ondorioak dauzka.

Adibidez, ikus dezagun zer gertatzen den   sistematik argia bera behatzean. Kasu horretan,   behatzaileak   abiadura neurtuko du. Abiaduren batuketa erlatibistari dagokion formula aplikatuz gero,   behatzaileak abiadura hau neurtuko du:

 

Alegia, argiaren abiadura   izango da baita   sisteman ere. Emaitza hori guztiz ados dago erlatibitatearen teoriaren postulatuarekin: argiaren abiadura konstante unibertsala da.

Abiaduraren bidez definituriko bi magnitude fisikoAldatu

Mekanika ez-erlatibistan, abiaduraren bidez definitzen dira bi magnitude hauek:

  • Momentu lineala ( ) magnitude bektoriala da, partikularen masaren eta abiaduraren biderkadura gisa definitua:  
  • Energia zinetikoa ( ) magnitude eskalarra da:  

Gainera, partikularen masa konstantetzat hartzen da; hau da, beraren balioa ez da aldatzen abiadura handiagotzean, eta balio bera du erreferentzia-sisteman geldi egon zein   abiaduraz ibili.

Mekanika erlatibistan, ordea, masa aldatu egiten da abiadurarekin, era honetan, hain zuzen:

 
non   pausaguneko masa den, eta   Lorentzen faktorea. Horrek momentu linealaren eta energiaren definizioen aldaketa dakar:
  • Momentu lineala honelaxe adierazten da pausaguneko masaren eta abiaduraren bidez:  
  • Partikula geldi dagoela, hauxe da pausaguneko energia:  
  • Eta abiaduraz doan partikularen energia zinetikoa:  

Azkenik, energia osoaren adierazpena eta momentuaren definizioa konbinatzen baditugu,  faktore gabeko energia osoaren adierazpena lortuko dugu:

 

Masaren terminoa askatuta, honela geratzen da adierazpena:

 

Eskuineko aldea konstantea denez, ezkerreko aldeak ere konstantea izan behar du, eta beraz, erreferentzia-sistema guztietan balio berbera izan behar du. Hau da, azken adierazpen hori aldaezin erlatibista da.

ErreferentziakAldatu

  1. Fisika Orokorra. UEU ISBN 84-8434-045-9.
  2. Mekanika eta Uhinak. Udako Euskal Unibertsitatea, 214-218 or. ISBN 84-86967-42-2.

BibliografiaAldatu

  • Aguirregabiria, Juan María.. (2004). Mekanika klasikoa. Universidad del País Vasco ISBN 84-8373-631-4 PMC 932541663
  • Fishbane, Paul (2008) Fisika zientzialari eta ingeniarientzat. 1. bolumena, (1.etik-21.era Gaiak) Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea ISBN9788490820308PMC932800438.
  • Etxebarria Bilbao, Jose Ramon (arg.) Fisika orokorra (2. argitalpena) UEU, Bilbo (2003) ISBN 9788484380450.
  • Marcelo Alonso, Edward J. Finn (1976). Física. Fondo Educativo Interamericano. ISBN 84-03-20234-
  • J.R. Etxebarria & F. Plazaola (1992) Mekanika eta Uhinak, UEU, Bilbo, ISBN 84-86967-42-2

Ikus, gaineraAldatu