abiadura

abiadura

Abiadura

Abiadura magnitude fisikoak puntu material batek norabide jakin batean denbora-unitateko duen desplazamendua adierazten du. Magnitude hau bektorea da, ${\displaystyle {\boldsymbol {v}}}$ (edo ${\displaystyle {\vec {v}}}$) sinboloaz adierazi ohi da, eta denborarekiko posizio-aldaketa adierazten du.
Analisi dimentsionalean, hauxek dira abiaduraren dimentsioak oinarrizko magnitudeen funtzioan: ${\displaystyle [{\boldsymbol {v}}]={\text{L T}}^{-1}}$. Hortaz, nazioarteko SI sisteman, abiaduraren unitatea ${\displaystyle {\text{m s}}^{-1}}$ edo ${\displaystyle {\text{m/s}}}$ 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 (${\displaystyle {\text{c}}}$) izan ezik, zeinak balio berbera duen sistema guztietan.
Ariketak
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.
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.
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) izan zen abiadura kontzeptua zehazki eta sistematikoki aztertu zuen lehena^[1]. 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.
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^[2].

Alboko irudian marrazturik ageri dira partikula puntual baten higidura definitzen duten elementuak: erreferentzia-sistema (${\displaystyle Oxyz}$), behatzailea (${\displaystyle B}$), ibilbidea (${\displaystyle A_{0}AA'}$ kurba), hasierako posizioa (${\displaystyle A_{0}}$, ${\displaystyle t=0}$ aldiuneari dagokiona), ${\displaystyle t}$ aldiuneko posizioa (${\displaystyle A}$ puntua), ${\displaystyle t'}$aldiuneko posizioa (${\displaystyle A'}$ puntua), ${\displaystyle A}$ puntuaren posizio-bektorea (${\displaystyle {\boldsymbol {r}}}$), ${\displaystyle A'}$ puntuaren posizio-bektorea (${\displaystyle {\boldsymbol {r}}'}$), ${\displaystyle AA'}$ ibilbide-tartearen arku-luzera (${\displaystyle \Delta s}$), ${\displaystyle {\vec {AA'}}}$ bektorea (${\displaystyle \Delta {\boldsymbol {r}}}$), (${\displaystyle t'-t}$) denbora tartea (${\displaystyle \Delta t}$).
Lehenik, bi eratan definituko ditugu batez besteko abiadurak:
Honetan ere bi modutara definituko ditugu:
Ondorioz, era honetan adieraz daiteke aldiuneko abiadura bektorea, ibilbideko puntu bakoitzeko lerro ukitzailearen norabideko ${\displaystyle {\boldsymbol {u}}_{t}}$ bektore unitarioaren bidez:$${\displaystyle {\boldsymbol {v}}=v{\boldsymbol {u}}_{t}.}$$Bestetik, aldiuneko abiadura bektorea posizio-bektorearen osagaien bidez ere adieraz daiteke, honelaxe:$${\displaystyle {\boldsymbol {v}}={\frac {{\text{d}}{\boldsymbol {r}}}{{\text{d}}t}}={\frac {{\text{d}}(x{\boldsymbol {i}}+y{\boldsymbol {j}}+z{\boldsymbol {k}})}{{\text{d}}t}}={\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}t}}{\boldsymbol {i}}+{\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}t}}{\boldsymbol {j}}+{\frac {{\text{d}}z}{{\text{d}}t}}{\boldsymbol {k}}=v_{x}{\boldsymbol {i}}+v_{y}{\boldsymbol {j}}+v_{z}{\boldsymbol {k}}.}$$Adierazpen horretan, ${\displaystyle v_{x},v_{y}}$eta ${\displaystyle v_{z}}$ abiadura bektorearen hiru osagai kartesiarrak dira. Osagaiok kontuan izanik, hauxe da aldiuneko abiadura bektorearen modulua:$${\displaystyle v=\left\vert {\boldsymbol {v}}\right\vert =\left\vert {\operatorname {d} {\boldsymbol {r}} \over \operatorname {d} \!t}\right\vert ={\operatorname {d} \!s \over \operatorname {d} \!t}={\sqrt {v_{x}^{2}+v_{y}^{2}+v_{z}^{2}}}.}$$
Aldiuneko abiaduraren definiziotik abiaturik, eta hasierako posizioa (${\displaystyle {\boldsymbol {r}}_{\text{0}}}$) eta abiadurak denboraren funtzioa daukan ${\displaystyle {\boldsymbol {v}}(t)}$ balioa zein diren jakinik, modu errazean kalkula daiteke zein izango den partikularen posizioa, ${\displaystyle {\boldsymbol {r}}(t)}$, edozein ${\displaystyle t}$ aldiunetan. Era honetan egin daitezke kalkuluak:$${\displaystyle {\boldsymbol {v}}(t)={\frac {{\mbox{d}}{\boldsymbol {r}}(t)}{{\mbox{d}}t}},}$$$${\displaystyle {\mbox{d}}{\boldsymbol {r}}(t)={\boldsymbol {v}}(t){\mbox{d}}t,}$$$${\displaystyle \int _{{\boldsymbol {r}}_{0}}^{{\boldsymbol {r}}(t)}{\mbox{d}}{\boldsymbol {r}}={\boldsymbol {r}}(t)-{\boldsymbol {r}}_{0}=\int _{t_{0}}^{t}{\boldsymbol {v}}(t){\mbox{d}}t,}$$$${\displaystyle {\boldsymbol {r}}(t)={\boldsymbol {r}}_{0}+\int _{t_{0}}^{t}{\boldsymbol {v}}(t){\mbox{d}}t.}$$Integral hori kalkulatzeko, abiadura nola aldatzen den jakin behar da aldez aurretik, alegia, ${\displaystyle {\boldsymbol {v}}(t)}$ funtzioa nolakoa den jakin behar da. Abiadura konstantea den kasuan, oso erraz lortzen da emaitza:$${\displaystyle {\boldsymbol {r}}(t)={\boldsymbol {r}}_{0}+{\boldsymbol {v}}(t-t_{0}).}$$

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.
Kontsidera dezagun bi erreferentzia-sistema paralelo ditugula, ${\displaystyle Oxyz}$ eta ${\displaystyle O'x'y'z'}$ sistemak, bakoitza bere behatzailearekin, ${\displaystyle B}$ eta ${\displaystyle B'}$, alboko irudian ageri den bezala. Bigarren sistema ${\displaystyle {\boldsymbol {V}}}$ abiadura konstantez higitzen ari da lehenarekiko, eta ${\displaystyle t=0}$ aldiunean bi sistemak kointzidenteak izan direla onartuko dugu, hots, aldiune horretan ${\displaystyle O=O'}$izan dela.
Beraz, edozein ${\displaystyle t}$ aldiunetan, bigarren sistemaren jatorriak lehenengo sisteman duen posizio-bektorea$${\displaystyle {\boldsymbol {R}}={\boldsymbol {V}}t}$$izango da. Hortaz, ${\displaystyle A}$ puntuaren posizioa neurtzean, bi behatzaileek bektore desberdinak neurtuko dituzte, ${\displaystyle {\boldsymbol {r}}}$ eta ${\displaystyle {\boldsymbol {r}}'}$, bi bektore horien artean erlazio hau izanik:  $${\displaystyle {\boldsymbol {r}}={\boldsymbol {R}}+{\boldsymbol {r}}'={\boldsymbol {V}}t+{\boldsymbol {r}}'.}$$
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:$${\displaystyle {\operatorname {d} {\boldsymbol {r}} \over \operatorname {d} \!t}={\operatorname {d} ({\boldsymbol {V}}{t}) \over \operatorname {d} \!t}+{\operatorname {d} {\boldsymbol {r}}' \over \operatorname {d} \!t},}$$$${\displaystyle {\boldsymbol {v}}={\boldsymbol {V}}+{\boldsymbol {v}}'.}$$Ikus dezakegunez, bi behatzaileek neurtzen dituzten abiadurak desberdinak dira; hain zuzen, lehenengo behatzaileak neurturiko ${\displaystyle {\boldsymbol {v}}}$ abiaduraren balioa beste bi abiaduren batura da, hots, ${\displaystyle {\boldsymbol {V}}+{\boldsymbol {v}}'.}$ Agerikoa denez, abiaduraren balioa kontzeptu erlatiboa da, neurketako erreferentzia-sistemaren araberakoa.
Oraingoan, alboko irudian ageri den moduko higidura erlatiboa duten bi erreferentzia-sistemaren kasua aztertuko dugu. Kontsideratuko dugu ${\displaystyle Oxyz}$ sistema geldi dagoela eta ${\displaystyle Ox'y'z'}$ sistema biraka ari dela ${\displaystyle O}$ puntutik pasatzen den ardatz baten inguruan ${\displaystyle {\boldsymbol {\omega }}}$ abiadura angeluar konstanteaz.
Jatorri bereko bi sistema direnez, posizio-bektoreak berberak izango dira denbora guztian, baina sistema bakoitzean osagai desberdinak izango dituzte:$${\displaystyle {\boldsymbol {r}}\equiv {\boldsymbol {r}}',}$$$${\displaystyle x{\boldsymbol {i}}+y{\boldsymbol {j}}+z{\boldsymbol {k}}=x'{\boldsymbol {i}}'+y'{\boldsymbol {j}}'+z'{\boldsymbol {k}}'.}$$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:^[3]
$${\displaystyle {\boldsymbol {v}}={\boldsymbol {v}}'+{\boldsymbol {\omega }}\times {\boldsymbol {r}}'.}$$Bistan denez, bi behatzaileek neurtzen dituzten abiadurak desberdinak dira, eta horretan eragin zuzena du baita bigarren sistemaren ${\displaystyle {\boldsymbol {\omega }}}$ abiadura angeluarrak ere.
Abiadura hainbat arlotan erabiltzen denez, ohitura dago unitate espezifikoak erabiltzeko bizimodu arrunteko arloan arloko praktikan.
Oro har, zientziaren arlo gehienetan unitate estandarrak erabiltzen dira, alegia, SI sistemako zazpi oinarrizko unitateetatik eratorritakoak. Hortaz, abiaduraren dimentsio-ekuazioa, ${\displaystyle [{\boldsymbol {v}}]={\text{L T}}^{-1}}$, kontuan izanik,
Nolanahi ere, SI sistemakoak izan gabe, unitate hauek ere erabiltzen dira askotan:
Zientziaren zenbait arlotan ohitura dago, antzina arrunta zen CGS sistemako abiadura-unitatea erabiltzeko, alegia:
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:
Itsasoko nabigazioan «korapiloa» deritzon unitate berezia erabiltzen da; beraren sinboloa ${\displaystyle {\text{kn}}}$ da (ingelesezko «knot» hitzetik sortua)
Aeronautikan, abiadura handiko hegazkinen kasuan, soinuak atmosferan baldintza berezietan duen abiadura hartzen da erreferentziatzat. Hain zuzen, itsas mailan airearen hezetasuna ${\displaystyle \%{\text{ 50}}}$-eko izanik eta ${\displaystyle {\text{20 }}^{\circ }{\text{C}}}$-eko tenperaturan neurturik, soinuaren abiadurak ${\displaystyle 343,2{\text{ m/s}}}$ m/s balio du (hots, ${\displaystyle {\text{1235,52 km/h}}}$).
Soinuaren abiadura hori oinarri hartuta, «Mach zenbakia» izeneko abiadura erlatibo bat definitzen da, hegazkinaren abiaduraren, ${\displaystyle v}$, eta soinuaren abiaduraren, ${\displaystyle v_{\text{s}}}$, zatidura modura.
$${\displaystyle {\text{Mach zenbakia}}=M={\frac {v}{v_{\text{s}}}}.}$$Mach zenbakiaren osagai dimentsionalak kalkulatzean, emaitza hau lortzen da:
$${\displaystyle [M]={\frac {[v]}{[v_{\text{s}}]}}={\frac {{\text{L T}}^{-1}}{{\text{L T}}^{-1}}}={\text{L}}^{0}{\text{T}}^{0}.}$$
Agerikoa denez, zenbaki adimentsionala da, logikoa dena bestalde, hegazkina soinuaren abiadura baino zenbat aldiz bizkorrago dabilen adierazten baitu soilik. Adibidez, ${\displaystyle M=2}$ abiaduraz doan hegazkina soinua baino bi aldiz bizkorragoan dabil, hots, ${\displaystyle v=2\times {\text{1235,52 km/h}}={\text{2471,04 km/h}}}$ 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.
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 ${\textstyle c={\text{299 792 458 m s}}^{-1}}$balio du.
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 (${\displaystyle B}$ eta ${\displaystyle B'}$) neurtzen dituzten abiaduren arteko transformazio-ekuazioak desberdinak baitira.
Ondorioz, abiaduren batuketa egitean, jadanik ez da betetzen mekanika klasikoaren ekuazio sinplea —alegia, ${\displaystyle {\boldsymbol {v}}={\boldsymbol {V}}+{\boldsymbol {v}}'}$ batuketa—. Aitzitik, mekanika erlatibistan transformazio ekuazio hau hartu beharko dugu kontuan:^[4]
$${\displaystyle v={\frac {V+v'}{1+{\frac {Vv'}{c^{2}}}}}.}$$Horrek mekanika ez-erlatibitaren arloan ulertu ezin diren ondorioak dauzka.
Adibidez, ikus dezagun zer gertatzen den ${\displaystyle S'}$ sistematik argia bera behatzean. Kasu horretan, ${\displaystyle B'}$ behatzaileak ${\displaystyle v'=c}$ abiadura neurtuko du. Abiaduren batuketa erlatibistari dagokion formula aplikatuz gero, ${\displaystyle B}$ behatzaileak abiadura hau neurtuko du:
$${\displaystyle v={\frac {V+c}{1+{\frac {Vc}{c^{2}}}}}={\frac {V+c}{\frac {c^{2}+Vc}{c^{2}}}}={\frac {V+c}{\frac {c(c+V)}{c^{2}}}}=c.}$$
Alegia, argiaren abiadura ${\displaystyle v=c}$ izango da baita ${\displaystyle S}$ sisteman ere. Emaitza hori guztiz ados dago erlatibitatearen teoriaren postulatuarekin: argiaren abiadura konstante unibertsala da.
Abiadura- edo lastertasun-modulua egindako bitartearen eta bitartea osatzeko erabilitako denboraren arteko harremana da. Bere izaria v izendatzen da. Abiadura-modulua [L]/[t] dimentsioko izari eskalar bat da.
Mekanika ez-erlatibistan, abiaduraren bidez definitzen dira bi magnitude hauek:
Gainera, partikularen masa konstantetzat hartzen da; hau da, beraren balioa ez da aldatzen abiadura handiagotzean, eta balio bera du erreferentzia-sisteman geldi egon zein ${\displaystyle v}$ abiaduraz ibili.
Mekanika erlatibistan, ordea, masa aldatu egiten da abiadurarekin, era honetan, hain zuzen:
$${\displaystyle m={\frac {m_{0}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}=\gamma m_{0},}$$non ${\displaystyle m_{0}}$ pausaguneko masa den, eta ${\displaystyle \gamma }$ Lorentzen faktorea. Horrek momentu linealaren eta energiaren definizioen aldaketa dakar:
Azkenik, energia osoaren adierazpena eta momentuaren definizioa konbinatzen baditugu,  faktore gabeko energia osoaren adierazpena lortuko dugu:
$${\displaystyle E^{2}=(m_{0}c^{2})^{2}+(pc)^{2}}$$
Masaren terminoa askatuta, honela geratzen da adierazpena:
$${\displaystyle E^{2}-p^{2}c^{2}={m_{0}}^{2}c^{4}.}$$
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.

Wikipediarekin konexio arazoren bat gertatu da: