Har du funderat på vad som egentligen är farligt med trafiken? Är det bilarna, hastigheterna eller förarna? När vi rör oss i trafiken hamnar vi i många olika situationer. Vi möter en bil, kör ikapp en cyklist, svänger runt ett hörn eller korsar en väg. Allt detta handlar om rörelse, alltså hur vi förflyttar oss. För att beskriva en rörelse behöver vi veta var vi är och vart vi är på väg. Vi behöver också veta hur lång tid det tar och hur snabbt vi rör oss. Det handlar om läge, tid och hastighet.

[bild]

Åkte du bil till skolan idag? Eller gick eller cyklade du? Oavsett vilket var du ganska säkert ute i trafiken på vägen till skolan.

För att komma till skolan behöver du färdas en viss sträcka. Det tar en viss tid. Om vi vet hur långt det är till skolan och hur lång tid resan tar kan vi räkna ut hastigheten:

v = s/t

Hur långt något färdas kallas sträcka och betecknas med s. Tid betecknas med t och hastighet med v.

En bils hastighet förändras under en resa. Ibland ökar farten och när bilen bromsar minskar den. Hastigheten förändras också när bilen svänger, eftersom riktningen ändras. En förändring av hastigheten kallas acceleration. Bilen accelererar alltså när den ökar farten, bromsar eller ändrar riktning.

För att undvika en krock behöver bilen ibland snabbt minska farten. Då måste bromsarna uträtta ett arbete så att bilens rörelseenergi omvandlas till värme. Ju kortare sträcka bilen ska bromsa på, desto större kraft behövs.

När vi tar oss till skolan behöver vi röra oss en viss sträcka. Det tar tid, och ju snabbare vi färdas, desto kortare tid tar resan.

Bor du väldigt nära, till exempel 100 meter från skolan, tar det kanske bara 20 sekunder att springa dit. Hastigheten blir då:

v = 100 m / 20 s = 5 m/s

Du rör dig alltså i genomsnitt 5 meter varje sekund.

Om du istället bor längre bort får du kanske åka buss eller bil. Bor du till exempel 10 km från skolan och resan tar 15 minuter, alltså 0,25 timmar, blir hastigheten:

v = 10 km / 0,25 h = 40 km/h

Med den hastigheten skulle det alltså ta en timme att färdas 40 km.

När vi räknar så här bryr vi oss inte om exakt hur du sprang eller hur bilen körde under olika delar av resan. Hastigheten vi räknar ut är en medelhastighet, alltså hur snabbt du i genomsnitt tog dig fram.

I verkligheten körde bilen kanske ganska fort ibland, medan den vid andra tillfällen fick sakta ner, stanna vid ett rödljus eller sänka farten vid en vägkorsning. Hastigheten var alltså ibland högre och ibland lägre.

Om du tittar på hastighetsmätaren i bilen ser du inte medelhastigheten för hela resan. Hastighetsmätaren visar istället hur fort bilen kör just nu. Det kallas momentanhastighet.

[Bild: Hastighetsmätare som visar 70 km/h.]

För att tydligare visa hur en rörelse ser ut kan vi rita den i ett diagram. Då använder vi två tallinjer, en för tiden och en för läget, alltså den position där vi befinner oss. Från det att vi lämnar hemmet tills vi kommer fram till skolan förändras vårt läge samtidigt som tiden går.

När du sätter dig i bilen står den först stilla. Då förändras inte ditt läge, men tiden fortsätter att gå. När bilen sedan börjar köra förändras både tid och läge. Efter en stund kanske bilen behöver stanna vid en vägkorsning. Sedan fortsätter den och är snart framme vid skolan där du kliver ur.

[Bild: animerat diagram med bilresa]

I diagrammet kan vi se att linjen mellan två punkter har en viss lutning. Hur mycket linjen lutar beror på hur fort bilen kör.

När bilen står stilla förändras inte läget, även om tiden fortsätter att gå. När bilen kör förändras både läge och tid. Ju fortare bilen kör, desto snabbare förändras läget och desto mer lutar linjen. Linjens lutning visar alltså hur fort bilen kör.

Om vi tänker tillbaka på exemplet där vi sprang till skolan med 5 m/s eller åkte bil med 40 km/h skulle de två rörelserna se olika ut i diagrammet.

För att jämföra hastigheterna behöver vi först använda samma enhet. 1 m/s är lika med 3,6 km/h. Vi sprang alltså med:

5·3,6 = 18 km/h

Bilar, bussar och även vi människor har massa. När vi börjar röra oss efter att ha stått stilla ökar hastigheten. Det kallas att accelerera.

Varje gång hastigheten förändras sker en acceleration. För att ett föremål ska accelerera behövs en kraft. Kraften som får en bil att öka farten kommer från motorn och däcken mot vägen. När vi själva accelererar använder vi våra muskler för att påverka marken med en kraft.

Acceleration beskriver hur snabbt hastigheten förändras. En stor acceleration betyder att hastigheten förändras mycket på kort tid.

[Bild: Bil som ökar hastigheten: 0, 10, 20 och 30 km/h.]

Acceleration mäts ofta i meter per sekund per sekund, vilket skrivs m/s². En acceleration på 2 m/s² betyder att hastigheten ökar med 2 m/s varje sekund.

Om ett föremål börjar från stillastående och accelererar med 2 m/s² blir farten:

Efter 1 sekund: 2 m/s

Efter 2 sekunder: 4 m/s

Efter 3 sekunder: 6 m/s

Efter 4 sekunder: 8 m/s

Farten ökar alltså lika mycket varje sekund.

När bilen närmar sig en vägkorsning bromsar föraren. Farten kanske minskar från 40 km/h till 30 km/h, sedan till 20 km/h och till slut till 0 km/h. När farten minskar säger vi ibland att bilen retarderar. [Blåtext: Retardation betyder att farten minskar.]

[Bild: Bil som bromsar med hastigheterna 40, 30, 20, 10 och 0 km/h.]

Även retardation är egentligen en acceleration, eftersom hastigheten förändras. Skillnaden är att accelerationen nu gör att farten minskar istället för att öka.

Ibland svänger vägen. Då behövs en kraft som får bilen att ändra riktning. Det är friktionskraften mellan däcken och vägen som gör att bilen kan svänga.

Kraften gör att bilen accelererar och hastigheten förändras. Här behöver inte farten förändras. Bilen kan fortfarande köra med lika många km/h, men den färdas i en ny riktning.

Fart och hastighet är alltså inte riktigt samma sak. Farten beskriver hur fort något rör sig. Hastigheten beskriver både hur fort något rör sig och i vilken riktning.

För att köra uppför en backe behöver bilen påverkas av en kraft framåt. Samtidigt drar tyngdkraften bilen nedåt. Motorn behöver därför arbeta för att få bilen uppför backen.

Vi säger att motorn uträttar ett arbete. Hur stort arbetet är beror på hur stor kraften är och hur lång sträcka kraften verkar:

W = F · s

Arbete betecknas med W och mäts i joule (J). En joule är samma sak som en newtonmeter (Nm).

Ju högre upp bilen kommer, desto mer lägesenergi får den. Arbetet som utförs gör att energi överförs och bilens lägesenergi ökar.

För att komma hela vägen till toppen måste det, om vi förenklar och bortser från olika energiförluster, tillföras lika mycket energi som ökningen av bilens lägesenergi.

Det spelar däremot ingen roll för lägesenergin om vägen går brant uppför eller slingrar sig uppför berget. Om bilen börjar och slutar på samma höjder är ökningen av lägesenergin densamma.

På en brant och kort väg behövs en större kraft. På en längre och mindre brant väg kan kraften vara mindre. Det man vinner i kraft förlorar man i väg. Detta kallas mekanikens gyllene regel.

När bilen kommer över krönet och börjar rulla nedför kan tyngdkraften istället få bilen att öka farten. Då omvandlas lägesenergi till rörelseenergi.

Men vad är det då som gör trafiken farlig? Är det bilarna, hastigheterna eller förarna?

En bil som har hög fart färdas en lång sträcka på kort tid. Det betyder att föraren har kortare tid på sig att reagera på det som händer. Om bilen framför plötsligt stannar måste föraren snabbt reagera och bromsa.

När bilen bromsar minskar hastigheten. Ju snabbare hastigheten ska förändras, desto större är accelerationen. För att ge en bil med en viss massa en större acceleration behövs en större kraft.

När bilen bromsar utför bromskraften ett arbete som minskar bilens rörelseenergi. Energin omvandlas framför allt till värme i bromsar, däck och väg. När bilen har stannat har den inte längre någon rörelseenergi.

För att kunna bromsa snabbt krävs bra bromsar och tillräcklig friktion mellan däcken och vägen. På en hal väg är friktionen mindre och därför kan bromssträckan bli längre. Ju större bromskraft som kan verka, desto kortare sträcka behövs för att stoppa bilen.

Hur stor kraft som krävs för att bromsa en bil med en viss acceleration beror också på bilens massa. Ju större massa bilen har, desto större kraft behövs för att ge den samma acceleration.

När föraren upptäcker ett hinder stannar bilen inte direkt. Först behöver föraren hinna reagera och trycka på bromsen. Under den tiden fortsätter bilen framåt. Sträckan bilen färdas innan föraren börjar bromsa kallas reaktionssträcka. Sedan färdas bilen ytterligare en sträcka medan den bromsar. Den kallas bromssträcka. Reaktionssträckan och bromssträckan tillsammans kallas stoppsträcka.

stoppsträcka = reaktionssträcka + bromssträcka

Ju högre fart bilen har, desto längre hinner den färdas medan föraren reagerar. Om bilen kör i 20 m/s och det tar en sekund för föraren att reagera hinner bilen 20 meter innan bromsningen ens börjar. Bromssträckan påverkas också av farten, men även av till exempel väglaget och däcken. På en hal väg är friktionen mindre och bromssträckan blir därför längre.

Om föraren inte hinner stanna, till exempel för att bilen kör för fort eller ligger för nära bilen framför, kan det bli en krock. Vid krocken bromsas bilen in på mycket kort tid och de som sitter i bilen kan utsättas för stora krafter.

För att minska dessa krafter försöker man göra inbromsningen mindre plötslig. Därför har bilar deformationszoner som kan tryckas ihop vid en krock. När bilen deformeras ökar sträckan och tiden under vilken bilen bromsas in.

Säkerhetsbälten och krockkuddar hjälper på liknande sätt till att bromsa människorna i bilen på ett säkrare sätt. En krockkudde gör bland annat att huvudet inte bromsas upp lika plötsligt mot en hård ratt eller instrumentbräda.

Höga hastigheter ökar alltså riskerna i trafiken. Bilen färdas längre medan föraren reagerar och har mer rörelseenergi som måste omvandlas när bilen ska stanna. För att minska risken för allvarliga olyckor behöver förare vara uppmärksamma, anpassa hastigheten och hålla tillräckligt avstånd till andra fordon.

Repetition Rörelseenergi

En bil som rör sig har som vi lärde oss i förra kapitlet rörelseenergi. Hur stor rörelseenergin är beror både på bilens massa och på dess fart. En tung bil har mer rörelseenergi än en lätt bil som kör lika fort. Men farten har extra stor betydelse. Om farten fördubblas blir rörelseenergin fyra gånger så stor.

Rörelseenergin kan beräknas med:

W_r = mv²/2

När bilen bromsar måste denna rörelseenergi omvandlas till andra energiformer, framför allt värme. Ju högre fart bilen har, desto mer energi måste omvandlas innan bilen kan stanna. Det är en viktig anledning till att hög fart ökar riskerna i trafiken. Om en krock sker finns det också mer rörelseenergi som måste omvandlas när bilen och människorna i den bromsas upp.

När vi rör oss i trafiken kan rörelsen beskrivas med sträcka, tid och hastighet. Hastigheten talar om hur snabbt läget förändras och kan mätas i till exempel m/s eller km/h. Medelhastigheten beskriver hur snabbt något i genomsnitt har färdats en viss sträcka, medan momentanhastigheten beskriver hastigheten vid ett bestämt ögonblick. När hastigheten förändras sker en acceleration. Det kan vara att farten ökar eller minskar, men också att riktningen förändras, till exempel när en bil svänger. För att ändra ett föremåls rörelse behövs en kraft. Friktionen mellan däcken och vägen är därför viktig både när bilen bromsar och när den svänger.

En bil som rör sig har rörelseenergi. Ju större massa och ju högre fart bilen har, desto större är rörelseenergin. När bilen bromsar utför bromskraften ett arbete och rörelseenergin omvandlas framför allt till värme. Innan bilen kan stanna färdas den både en reaktionssträcka och en bromssträcka. Tillsammans bildar de bilens stoppsträcka. När en bil kör uppför en backe utför motorn ett arbete och bilens lägesenergi ökar. På vägen ned kan lägesenergin istället omvandlas till rörelseenergi. En längre och mindre brant väg kräver mindre kraft än en kort och brant väg. Det är ett exempel på mekanikens gyllene regel: det man vinner i kraft förlorar man i väg. Fysiken hjälper oss alltså att förstå varför hastighet, avstånd, väglag och bilens säkerhetssystem har så stor betydelse i trafiken.

Det viktigaste att komma ihåg:

• Hastighet kan beräknas genom att dela sträckan med tiden: v = s/t.

• Hastighet mäts ofta i m/s eller km/h. 1 m/s = 3,6 km/h.

• Medelhastighet beskriver hastigheten under en hel sträcka, medan momentanhastighet beskriver hastigheten just nu.

• En förändring av hastigheten kallas acceleration. Hastigheten förändras när farten ökar eller minskar och när riktningen ändras.

• En kraft behövs för att förändra ett föremåls rörelse. Friktionen mellan däck och väg gör att bilen kan bromsa och svänga.

• Stoppsträckan består av reaktionssträckan och bromssträckan. Högre fart ger längre stoppsträcka.

• En bil i rörelse har rörelseenergi. Dubbel fart ger fyra gånger så stor rörelseenergi.

• När en bil kör uppför ökar dess lägesenergi. På vägen ned kan lägesenergi omvandlas till rörelseenergi.

• Arbete utförs när en kraft verkar över en sträcka: W = F · s. Arbete och energi mäts i joule (J).

• Mekanikens gyllene regel säger att det man vinner i kraft förlorar man i väg.

• Hög fart ökar riskerna i trafiken eftersom bilen hinner färdas längre under reaktionstiden och har mer rörelseenergi som måste omvandlas när den bromsar eller krockar.