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C o n n e x i o n s m o d u l e : m 4 2 1 0 3 1

G r a p h i c a l A n a l y s i s o f

O n e - D i m e n s i o n a l M o t i o n

O p e n S t a x C o l l e g e

T h i s w o r k i s p r o d u c e d b y T h e C o n n e x i o n s P r o j e c t a n d l i c e n s e d u n d e r t h e

C r e a t i v e C o m m o n s A t t r i b u t i o n L i c e n s e

A b s t r a c t

D e s c r i b e a s t r a i g h t - l i n e g r a p h i n t e r m s o f i t s s l o p e a n d y - i n t e r c e p t .

D e t e r m i n e a v e r a g e v e l o c i t y o r i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y f r o m a g r a p h o f p o s i t i o n v s . t i m e .

D e t e r m i n e a v e r a g e o r i n s t a n t a n e o u s a c c e l e r a t i o n f r o m a g r a p h o f v e l o c i t y v s . t i m e .

D e r i v e a g r a p h o f v e l o c i t y v s . t i m e f r o m a g r a p h o f p o s i t i o n v s . t i m e .

D e r i v e a g r a p h o f a c c e l e r a t i o n v s . t i m e f r o m a g r a p h o f v e l o c i t y v s . t i m e .

A g r a p h , l i k e a p i c t u r e , i s w o r t h a t h o u s a n d w o r d s . G r a p h s n o t o n l y c o n t a i n n u m e r i c a l i n f o r m a t i o n ; t h e y

a l s o r e v e a l r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n p h y s i c a l q u a n t i t i e s . T h i s s e c t i o n u s e s g r a p h s o f d i s p l a c e m e n t , v e l o c i t y , a n d

a c c e l e r a t i o n v e r s u s t i m e t o i l l u s t r a t e o n e - d i m e n s i o n a l k i n e m a t i c s .

1 S l o p e s a n d G e n e r a l R e l a t i o n s h i p s

F i r s t n o t e t h a t g r a p h s i n t h i s t e x t h a v e p e r p e n d i c u l a r a x e s , o n e h o r i z o n t a l a n d t h e o t h e r v e r t i c a l . W h e n t w o

p h y s i c a l q u a n t i t i e s a r e p l o t t e d a g a i n s t o n e a n o t h e r i n s u c h a g r a p h , t h e h o r i z o n t a l a x i s i s u s u a l l y c o n s i d e r e d

t o b e a n i n d e p e n d e n t v a r i a b l e a n d t h e v e r t i c a l a x i s a d e p e n d e n t v a r i a b l e . I f w e c a l l t h e h o r i z o n t a l a x i s

t h e x- a x i s a n d t h e v e r t i c a l a x i s t h e y - a x i s , a s i n F i g u r e 1 , a s t r a i g h t - l i n e g r a p h h a s t h e g e n e r a l f o r m

y = m x + b. ( 1 )

H e r e m i s t h e s l o p e , d e n e d t o b e t h e r i s e d i v i d e d b y t h e r u n ( a s s e e n i n t h e g u r e ) o f t h e s t r a i g h t l i n e .

T h e l e t t e r b i s u s e d f o r t h e y - i n t e r c e p t , w h i c h i s t h e p o i n t a t w h i c h t h e l i n e c r o s s e s t h e v e r t i c a l a x i s .

V e r s i o n 1 . 3 : J u n 2 0 , 2 0 1 2 9 : 3 8 a m - 0 5 0 0

h t t p : / / c r e a t i v e c o m m o n s . o r g / l i c e n s e s / b y / 3 . 0 /

h t t p : / / c n x . o r g / c o n t e n t / m 4 2 1 0 3 / 1 . 3 /

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F i g u r e 1 : A s t r a i g h t - l i n e g r a p h . T h e e q u a t i o n f o r a s t r a i g h t l i n e i s y = m x + b .

2 G r a p h o f D i s p l a c e m e n t v s . T i m e ( a = 0 , s o v i s c o n s t a n t )

T i m e i s u s u a l l y a n i n d e p e n d e n t v a r i a b l e t h a t o t h e r q u a n t i t i e s , s u c h a s d i s p l a c e m e n t , d e p e n d u p o n . A g r a p h

o f d i s p l a c e m e n t v e r s u s t i m e w o u l d , t h u s , h a v e x o n t h e v e r t i c a l a x i s a n d t o n t h e h o r i z o n t a l a x i s . F i g u r e 2

i s j u s t s u c h a s t r a i g h t - l i n e g r a p h . I t s h o w s a g r a p h o f d i s p l a c e m e n t v e r s u s t i m e f o r a j e t - p o w e r e d c a r o n a

v e r y a t d r y l a k e b e d i n N e v a d a .


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F i g u r e 2 : G r a p h o f d i s p l a c e m e n t v e r s u s t i m e f o r a j e t - p o w e r e d c a r o n t h e B o n n e v i l l e S a l t F l a t s .

U s i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d e p e n d e n t a n d i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s , w e s e e t h a t t h e s l o p e i n t h e g r a p h

a b o v e i s a v e r a g e v e l o c i t y

va n d t h e i n t e r c e p t i s d i s p l a c e m e n t a t t i m e z e r o t h a t i s , x0 . S u b s t i t u t i n g t h e s e

s y m b o l s i n t o y = m x + b g i v e s

x =

v t + x0 ( 2 )

o r

x = x0+

v t. ( 3 )

T h u s a g r a p h o f d i s p l a c e m e n t v e r s u s t i m e g i v e s a g e n e r a l r e l a t i o n s h i p a m o n g d i s p l a c e m e n t , v e l o c i t y , a n d

t i m e , a s w e l l a s g i v i n g d e t a i l e d n u m e r i c a l i n f o r m a t i o n a b o u t a s p e c i c s i t u a t i o n .

: T h e s l o p e o f t h e g r a p h o f d i s p l a c e m e n t x v s . t i m e t i s v e l o c i t y v .

s l o p e =x

t = v( 4 )

N o t i c e t h a t t h i s e q u a t i o n i s t h e s a m e a s t h a t d e r i v e d a l g e b r a i c a l l y f r o m o t h e r m o t i o n e q u a t i o n s i n

M o t i o n E q u a t i o n s f o r C o n s t a n t A c c e l e r a t i o n i n O n e D i m e n s i o n

1

.

F r o m t h e g u r e w e c a n s e e t h a t t h e c a r h a s a d i s p l a c e m e n t o f 4 0 0 m a t t i m e 0 . 6 5 0 m a t t = 1 . 0 s , a n d s o

o n . I t s d i s p l a c e m e n t a t t i m e s o t h e r t h a n t h o s e l i s t e d i n t h e t a b l e c a n b e r e a d f r o m t h e g r a p h ; f u r t h e r m o r e ,

i n f o r m a t i o n a b o u t i t s v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n c a n a l s o b e o b t a i n e d f r o m t h e g r a p h .

1

" M o t i o n E q u a t i o n s f o r C o n s t a n t A c c e l e r a t i o n i n O n e D i m e n s i o n " < h t t p : / / c n x . o r g / c o n t e n t / m 4 2 0 9 9 / l a t e s t / >


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E x a m p l e 1 : D e t e r m i n i n g A v e r a g e V e l o c i t y f r o m a G r a p h o f D i s p l a c e m e n t v e r s u s T i m e :

J e t C a r

F i n d t h e a v e r a g e v e l o c i t y o f t h e c a r w h o s e p o s i t i o n i s g r a p h e d i n F i g u r e 2 .

S t r a t e g y

T h e s l o p e o f a g r a p h o f x v s . t i s a v e r a g e v e l o c i t y , s i n c e s l o p e e q u a l s r i s e o v e r r u n . I n t h i s c a s e ,

r i s e = c h a n g e i n d i s p l a c e m e n t a n d r u n = c h a n g e i n t i m e , s o t h a t

s l o p e =x

t=

v . ( 5 )

S i n c e t h e s l o p e i s c o n s t a n t h e r e , a n y t w o p o i n t s o n t h e g r a p h c a n b e u s e d t o n d t h e s l o p e .

( G e n e r a l l y s p e a k i n g , i t i s m o s t a c c u r a t e t o u s e t w o w i d e l y s e p a r a t e d p o i n t s o n t h e s t r a i g h t l i n e .

T h i s i s b e c a u s e a n y e r r o r i n r e a d i n g d a t a f r o m t h e g r a p h i s p r o p o r t i o n a l l y s m a l l e r i f t h e i n t e r v a l i s

l a r g e r . )

S o l u t i o n

1 . C h o o s e t w o p o i n t s o n t h e l i n e . I n t h i s c a s e , w e c h o o s e t h e p o i n t s l a b e l e d o n t h e g r a p h : ( 6 . 4

s , 2 0 0 0 m ) a n d ( 0 . 5 0 s , 5 2 5 m ) . ( N o t e , h o w e v e r , t h a t y o u c o u l d c h o o s e a n y t w o p o i n t s . )

2 . S u b s t i t u t e t h e x a n d t v a l u e s o f t h e c h o s e n p o i n t s i n t o t h e e q u a t i o n . R e m e m b e r i n c a l c u l a t i n g

c h a n g e () w e a l w a y s u s e n a l v a l u e m i n u s i n i t i a l v a l u e .

v=x

t=

2 0 0 0 m 5 2 5 m

6 . 4 s 0 . 5 0 s , ( 6 )

y i e l d i n g

v= 2 5 0 m / s . ( 7 )

D i s c u s s i o n

T h i s i s a n i m p r e s s i v e l y l a r g e l a n d s p e e d ( 9 0 0 k m / h , o r a b o u t 5 6 0 m i / h ) : m u c h g r e a t e r t h a n t h e

t y p i c a l h i g h w a y s p e e d l i m i t o f 6 0 m i / h ( 2 7 m / s o r 9 6 k m / h ) , b u t c o n s i d e r a b l y s h y o f t h e r e c o r d o f

3 4 3 m / s ( 1 2 3 4 k m / h o r 7 6 6 m i / h ) s e t i n 1 9 9 7 .

3 G r a p h s o f M o t i o n w h e n a i s c o n s t a n t b u t a = 0

T h e g r a p h s i n F i g u r e 3 b e l o w r e p r e s e n t t h e m o t i o n o f t h e j e t - p o w e r e d c a r a s i t a c c e l e r a t e s t o w a r d i t s t o p

s p e e d , b u t o n l y d u r i n g t h e t i m e w h e n i t s a c c e l e r a t i o n i s c o n s t a n t . T i m e s t a r t s a t z e r o f o r t h i s m o t i o n ( a s i f

m e a s u r e d w i t h a s t o p w a t c h ) , a n d t h e d i s p l a c e m e n t a n d v e l o c i t y a r e i n i t i a l l y 2 0 0 m a n d 1 5 m / s , r e s p e c t i v e l y .


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5/23


F i g u r e 3 : G r a p h s o f m o t i o n o f a j e t - p o w e r e d c a r d u r i n g t h e t i m e s p a n w h e n i t s a c c e l e r a t i o n i s c o n s t a n t .

( a ) T h e s l o p e o f a n x v s . t g r a p h i s v e l o c i t y . T h i s i s s h o w n a t t w o p o i n t s , a n d t h e i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t i e s

o b t a i n e d a r e p l o t t e d i n t h e n e x t g r a p h . I n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y a t a n y p o i n t i s t h e s l o p e o f t h e t a n g e n t a t

t h a t p o i n t . ( b ) T h e s l o p e o f t h e

vv s .

tg r a p h i s c o n s t a n t f o r t h i s p a r t o f t h e m o t i o n , i n d i c a t i n g c o n s t a n t


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F i g u r e 4 : A U . S . A i r F o r c e j e t c a r s p e e d s d o w n a t r a c k . ( c r e d i t : M a t t T r o s t l e , F l i c k r )

T h e g r a p h o f d i s p l a c e m e n t v e r s u s t i m e i n F i g u r e 3 ( a ) i s a c u r v e r a t h e r t h a n a s t r a i g h t l i n e . T h e s l o p e o f

t h e c u r v e b e c o m e s s t e e p e r a s t i m e p r o g r e s s e s , s h o w i n g t h a t t h e v e l o c i t y i s i n c r e a s i n g o v e r t i m e . T h e s l o p e

a t a n y p o i n t o n a d i s p l a c e m e n t - v e r s u s - t i m e g r a p h i s t h e i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y a t t h a t p o i n t . I t i s f o u n d

b y d r a w i n g a s t r a i g h t l i n e t a n g e n t t o t h e c u r v e a t t h e p o i n t o f i n t e r e s t a n d t a k i n g t h e s l o p e o f t h i s s t r a i g h t

l i n e . T a n g e n t l i n e s a r e s h o w n f o r t w o p o i n t s i n F i g u r e 3 ( a ) . I f t h i s i s d o n e a t e v e r y p o i n t o n t h e c u r v e a n d

t h e v a l u e s a r e p l o t t e d a g a i n s t t i m e , t h e n t h e g r a p h o f v e l o c i t y v e r s u s t i m e s h o w n i n F i g u r e 3 ( b ) i s o b t a i n e d .

F u r t h e r m o r e , t h e s l o p e o f t h e g r a p h o f v e l o c i t y v e r s u s t i m e i s a c c e l e r a t i o n , w h i c h i s s h o w n i n F i g u r e 3 ( c ) .

E x a m p l e 2 : D e t e r m i n i n g I n s t a n t a n e o u s V e l o c i t y f r o m t h e S l o p e a t a P o i n t : J e t C a r

C a l c u l a t e t h e v e l o c i t y o f t h e j e t c a r a t a t i m e o f 2 5 s b y n d i n g t h e s l o p e o f t h e x v s . t g r a p h i n

t h e g r a p h b e l o w .


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F i g u r e 5 : T h e s l o p e o f a n

xv s .

tg r a p h i s v e l o c i t y . T h i s i s s h o w n a t t w o p o i n t s . I n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y

a t a n y p o i n t i s t h e s l o p e o f t h e t a n g e n t a t t h a t p o i n t .

S t r a t e g y

T h e s l o p e o f a c u r v e a t a p o i n t i s e q u a l t o t h e s l o p e o f a s t r a i g h t l i n e t a n g e n t t o t h e c u r v e a t

t h a t p o i n t . T h i s p r i n c i p l e i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 5 , w h e r e Q i s t h e p o i n t a t t = 2 5 s .S o l u t i o n

1 . F i n d t h e t a n g e n t l i n e t o t h e c u r v e a t t = 2 5 s .2 . D e t e r m i n e t h e e n d p o i n t s o f t h e t a n g e n t . T h e s e c o r r e s p o n d t o a p o s i t i o n o f 1 3 0 0 m a t t i m e

1 9 s a n d a p o s i t i o n o f 3 1 2 0 m a t t i m e 3 2 s .

3 . P l u g t h e s e e n d p o i n t s i n t o t h e e q u a t i o n t o s o l v e f o r t h e s l o p e , v .

s l o p e = vQ =xQtQ

=( 3 1 2 0 m 1 3 0 0 m )

(3 2 s 1 9 s )( 8 )

T h u s ,

vQ =1 8 2 0 m

1 3 s

= 1 4 0 m / s . ( 9 )

D i s c u s s i o n

T h i s i s t h e v a l u e g i v e n i n t h i s g u r e ' s t a b l e f o r v a t t = 2 5 s . T h e v a l u e o f 1 4 0 m / s f o r vQ i sp l o t t e d i n F i g u r e 5 . T h e e n t i r e g r a p h o f v v s . t c a n b e o b t a i n e d i n t h i s f a s h i o n .

C a r r y i n g t h i s o n e s t e p f u r t h e r , w e n o t e t h a t t h e s l o p e o f a v e l o c i t y v e r s u s t i m e g r a p h i s a c c e l e r a t i o n . S l o p e

i s r i s e d i v i d e d b y r u n ; o n a v v s . t g r a p h , r i s e = c h a n g e i n v e l o c i t y v a n d r u n = c h a n g e i n t i m e t.

: T h e s l o p e o f a g r a p h o f v e l o c i t y v v s . t i m e t i s a c c e l e r a t i o n a.

s l o p e =v

t= a ( 1 0 )

S i n c e t h e v e l o c i t y v e r s u s t i m e g r a p h i n F i g u r e 3 ( b ) i s a s t r a i g h t l i n e , i t s s l o p e i s t h e s a m e e v e r y w h e r e ,

i m p l y i n g t h a t a c c e l e r a t i o n i s c o n s t a n t . A c c e l e r a t i o n v e r s u s t i m e i s g r a p h e d i n F i g u r e 3 ( c ) .


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A d d i t i o n a l g e n e r a l i n f o r m a t i o n c a n b e o b t a i n e d f r o m F i g u r e 5 a n d t h e e x p r e s s i o n f o r a s t r a i g h t l i n e ,

y = m x + b .I n t h i s c a s e , t h e v e r t i c a l a x i s y i s V, t h e i n t e r c e p t b i s v0 , t h e s l o p e m i s a, a n d t h e h o r i z o n t a l a x i s x i s

t. S u b s t i t u t i n g t h e s e s y m b o l s y i e l d s

v = v0 + a t . ( 1 1 )

A g e n e r a l r e l a t i o n s h i p f o r v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o n , a n d t i m e h a s a g a i n b e e n o b t a i n e d f r o m a g r a p h . N o t i c e t h a t

t h i s e q u a t i o n w a s a l s o d e r i v e d a l g e b r a i c a l l y f r o m o t h e r m o t i o n e q u a t i o n s i n M o t i o n E q u a t i o n s f o r C o n s t a n t

A c c e l e r a t i o n i n O n e D i m e n s i o n

2

.

I t i s n o t a c c i d e n t a l t h a t t h e s a m e e q u a t i o n s a r e o b t a i n e d b y g r a p h i c a l a n a l y s i s a s b y a l g e b r a i c t e c h n i q u e s .

I n f a c t , a n i m p o r t a n t w a y t o d i s c o v e r p h y s i c a l r e l a t i o n s h i p s i s t o m e a s u r e v a r i o u s p h y s i c a l q u a n t i t i e s a n d

t h e n m a k e g r a p h s o f o n e q u a n t i t y a g a i n s t a n o t h e r t o s e e i f t h e y a r e c o r r e l a t e d i n a n y w a y . C o r r e l a t i o n s i m p l y

p h y s i c a l r e l a t i o n s h i p s a n d m i g h t b e s h o w n b y s m o o t h g r a p h s s u c h a s t h o s e a b o v e . F r o m s u c h g r a p h s , m a t h -

e m a t i c a l r e l a t i o n s h i p s c a n s o m e t i m e s b e p o s t u l a t e d . F u r t h e r e x p e r i m e n t s a r e t h e n p e r f o r m e d t o d e t e r m i n e

t h e v a l i d i t y o f t h e h y p o t h e s i z e d r e l a t i o n s h i p s .

4 G r a p h s o f M o t i o n W h e r e A c c e l e r a t i o n i s N o t C o n s t a n t

N o w c o n s i d e r t h e m o t i o n o f t h e j e t c a r a s i t g o e s f r o m 1 6 5 m / s t o i t s t o p v e l o c i t y o f 2 5 0 m / s , g r a p h e d i n

F i g u r e 6 . T i m e a g a i n s t a r t s a t z e r o , a n d t h e i n i t i a l d i s p l a c e m e n t a n d v e l o c i t y a r e 2 9 0 0 m a n d 1 6 5 m / s ,

r e s p e c t i v e l y . ( T h e s e w e r e t h e n a l d i s p l a c e m e n t a n d v e l o c i t y o f t h e c a r i n t h e m o t i o n g r a p h e d i n F i g u r e 3 . )

A c c e l e r a t i o n g r a d u a l l y d e c r e a s e s f r o m 5 . 0 m / s 2 t o z e r o w h e n t h e c a r h i t s 2 5 0 m / s . T h e s l o p e o f t h e x v s . tg r a p h i n c r e a s e s u n t i l t = 5 5 s , a f t e r w h i c h t i m e t h e s l o p e i s c o n s t a n t . S i m i l a r l y , v e l o c i t y i n c r e a s e s u n t i l 5 5 s a n d t h e n b e c o m e s c o n s t a n t , s i n c e a c c e l e r a t i o n d e c r e a s e s t o z e r o a t 5 5 s a n d r e m a i n s z e r o a f t e r w a r d .

2



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9/23


F i g u r e 6 : G r a p h s o f m o t i o n o f a j e t - p o w e r e d c a r a s i t r e a c h e s i t s t o p v e l o c i t y . T h i s m o t i o n b e g i n s w h e r e

t h e m o t i o n i n F i g u r e 3 e n d s . ( a ) T h e s l o p e o f t h i s g r a p h i s v e l o c i t y ; i t i s p l o t t e d i n t h e n e x t g r a p h . ( b )

T h e v e l o c i t y g r a d u a l l y a p p r o a c h e s i t s t o p v a l u e . T h e s l o p e o f t h i s g r a p h i s a c c e l e r a t i o n ; i t i s p l o t t e d i n

t h e n a l g r a p h . ( c ) A c c e l e r a t i o n g r a d u a l l y d e c l i n e s t o z e r o w h e n v e l o c i t y b e c o m e s c o n s t a n t .


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10/23

C o n n e x i o n s m o d u l e : m 4 2 1 0 3 1 0

E x a m p l e 3 : C a l c u l a t i n g A c c e l e r a t i o n f r o m a G r a p h o f V e l o c i t y v e r s u s T i m e

C a l c u l a t e t h e a c c e l e r a t i o n o f t h e j e t c a r a t a t i m e o f 2 5 s b y n d i n g t h e s l o p e o f t h e v v s . t g r a p h

i n F i g u r e 6 ( b ) .

S t r a t e g y

T h e s l o p e o f t h e c u r v e a t t = 2 5 s i s e q u a l t o t h e s l o p e o f t h e l i n e t a n g e n t a t t h a t p o i n t , a s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 6 ( b ) .

S o l u t i o n

D e t e r m i n e e n d p o i n t s o f t h e t a n g e n t l i n e f r o m t h e g u r e , a n d t h e n p l u g t h e m i n t o t h e e q u a t i o n

t o s o l v e f o r s l o p e , a.

s l o p e =v

t=

(2 6 0 m / s 2 1 0 m / s )

(5 1 s 1.0s)( 1 2 )

a =5 0 m / s

5 0 s

= 1 . 0m/ s2. ( 1 3 )

D i s c u s s i o n

N o t e t h a t t h i s v a l u e f o r

ai s c o n s i s t e n t w i t h t h e v a l u e p l o t t e d i n F i g u r e 6 ( c ) a t

t =2 5 s .

A g r a p h o f d i s p l a c e m e n t v e r s u s t i m e c a n b e u s e d t o g e n e r a t e a g r a p h o f v e l o c i t y v e r s u s t i m e , a n d a g r a p h o f

v e l o c i t y v e r s u s t i m e c a n b e u s e d t o g e n e r a t e a g r a p h o f a c c e l e r a t i o n v e r s u s t i m e . W e d o t h i s b y n d i n g t h e

s l o p e o f t h e g r a p h s a t e v e r y p o i n t . I f t h e g r a p h i s l i n e a r ( i . e . , a l i n e w i t h a c o n s t a n t s l o p e ) , i t i s e a s y t o n d

t h e s l o p e a t a n y p o i n t a n d y o u h a v e t h e s l o p e f o r e v e r y p o i n t . G r a p h i c a l a n a l y s i s o f m o t i o n c a n b e u s e d t o

d e s c r i b e b o t h s p e c i c a n d g e n e r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f k i n e m a t i c s . G r a p h s c a n a l s o b e u s e d f o r o t h e r t o p i c s i n

p h y s i c s . A n i m p o r t a n t a s p e c t o f e x p l o r i n g p h y s i c a l r e l a t i o n s h i p s i s t o g r a p h t h e m a n d l o o k f o r u n d e r l y i n g

r e l a t i o n s h i p s .

1 : C h e c k Y o u r U n d e r s t a n d i n g

( S o l u t i o n o n p . 2 2 . )

A g r a p h o f v e l o c i t y v s . t i m e o f a s h i p c o m i n g i n t o a h a r b o r i s s h o w n b e l o w . ( a ) D e s c r i b e t h e

m o t i o n o f t h e s h i p b a s e d o n t h e g r a p h . ( b ) W h a t w o u l d a g r a p h o f t h e s h i p ' s a c c e l e r a t i o n l o o k l i k e ?

F i g u r e 7

5 S e c t i o n S u m m a r y

G r a p h s o f m o t i o n c a n b e u s e d t o a n a l y z e m o t i o n .

G r a p h i c a l s o l u t i o n s y i e l d i d e n t i c a l s o l u t i o n s t o m a t h e m a t i c a l m e t h o d s f o r d e r i v i n g m o t i o n e q u a t i o n s .

T h e s l o p e o f a g r a p h o f d i s p l a c e m e n t x v s . t i m e t i s v e l o c i t y v .


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T h e s l o p e o f a g r a p h o f v e l o c i t y v v s . t i m e t g r a p h i s a c c e l e r a t i o n a.

A v e r a g e v e l o c i t y , i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y , a n d a c c e l e r a t i o n c a n a l l b e o b t a i n e d b y a n a l y z i n g g r a p h s .

6 C o n c e p t u a l Q u e s t i o n s

E x e r c i s e 2

( a ) E x p l a i n h o w y o u c a n u s e t h e g r a p h o f p o s i t i o n v e r s u s t i m e i n F i g u r e 8 t o d e s c r i b e t h e c h a n g e

i n v e l o c i t y o v e r t i m e . I d e n t i f y ( b ) t h e t i m e ( ta , tb , tc , td , o r te ) a t w h i c h t h e i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y

i s g r e a t e s t , ( c ) t h e t i m e a t w h i c h i t i s z e r o , a n d ( d ) t h e t i m e a t w h i c h i t i s n e g a t i v e .

F i g u r e 8

E x e r c i s e 3

( a ) S k e t c h a g r a p h o f v e l o c i t y v e r s u s t i m e c o r r e s p o n d i n g t o t h e g r a p h o f d i s p l a c e m e n t v e r s u s t i m e

g i v e n i n F i g u r e 9 . ( b ) I d e n t i f y t h e t i m e o r t i m e s ( ta , tb , tc , e t c . ) a t w h i c h t h e i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y

i s g r e a t e s t . ( c ) A t w h i c h t i m e s i s i t z e r o ? ( d ) A t w h i c h t i m e s i s i t n e g a t i v e ?


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12/23


F i g u r e 9

E x e r c i s e 4

( a ) E x p l a i n h o w y o u c a n d e t e r m i n e t h e a c c e l e r a t i o n o v e r t i m e f r o m a v e l o c i t y v e r s u s t i m e g r a p h

s u c h a s t h e o n e i n F i g u r e 1 0 . ( b ) B a s e d o n t h e g r a p h , h o w d o e s a c c e l e r a t i o n c h a n g e o v e r t i m e ?


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13/23


F i g u r e 1 0

E x e r c i s e 5

( a ) S k e t c h a g r a p h o f a c c e l e r a t i o n v e r s u s t i m e c o r r e s p o n d i n g t o t h e g r a p h o f v e l o c i t y v e r s u s t i m e

g i v e n i n F i g u r e 1 1 . ( b ) I d e n t i f y t h e t i m e o r t i m e s ( ta , tb , tc , e t c . ) a t w h i c h t h e a c c e l e r a t i o n i s

g r e a t e s t . ( c ) A t w h i c h t i m e s i s i t z e r o ? ( d ) A t w h i c h t i m e s i s i t n e g a t i v e ?


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14/23


F i g u r e 1 1

E x e r c i s e 6

C o n s i d e r t h e v e l o c i t y v s . t i m e g r a p h o f a p e r s o n i n a n e l e v a t o r s h o w n i n F i g u r e 1 2 . S u p p o s e t h e

e l e v a t o r i s i n i t i a l l y a t r e s t . I t t h e n a c c e l e r a t e s f o r 3 s e c o n d s , m a i n t a i n s t h a t v e l o c i t y f o r 1 5 s e c o n d s ,

t h e n d e c e l e r a t e s f o r 5 s e c o n d s u n t i l i t s t o p s . T h e a c c e l e r a t i o n f o r t h e e n t i r e t r i p i s n o t c o n s t a n t s o

w e c a n n o t u s e t h e e q u a t i o n s o f m o t i o n f r o m M o t i o n E q u a t i o n s f o r C o n s t a n t A c c e l e r a t i o n i n O n e

D i m e n s i o n

3

f o r t h e c o m p l e t e t r i p . ( W e c o u l d , h o w e v e r , u s e t h e m i n t h e t h r e e i n d i v i d u a l s e c t i o n s

w h e r e a c c e l e r a t i o n i s a c o n s t a n t . ) S k e t c h g r a p h s o f ( a ) p o s i t i o n v s . t i m e a n d ( b ) a c c e l e r a t i o n v s .

t i m e f o r t h i s t r i p .

3



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15/23


F i g u r e 1 2

E x e r c i s e 7

A c y l i n d e r i s g i v e n a p u s h a n d t h e n r o l l s u p a n i n c l i n e d p l a n e . I f t h e o r i g i n i s t h e s t a r t i n g p o i n t ,

s k e t c h t h e p o s i t i o n , v e l o c i t y , a n d a c c e l e r a t i o n o f t h e c y l i n d e r v s . t i m e a s i t g o e s u p a n d t h e n d o w n

t h e p l a n e .

7 P r o b l e m s & E x e r c i s e s

N o t e : T h e r e i s a l w a y s u n c e r t a i n t y i n n u m b e r s t a k e n f r o m g r a p h s . I f y o u r a n s w e r s d i e r f r o m e x p e c t e d

v a l u e s , e x a m i n e t h e m t o s e e i f t h e y a r e w i t h i n d a t a e x t r a c t i o n u n c e r t a i n t i e s e s t i m a t e d b y y o u .

E x e r c i s e 8

( S o l u t i o n o n p . 2 2 . )

( a ) B y t a k i n g t h e s l o p e o f t h e c u r v e i n F i g u r e 1 3 , v e r i f y t h a t t h e v e l o c i t y o f t h e j e t c a r i s 1 1 5 m / s

a t t = 2 0 s . ( b ) B y t a k i n g t h e s l o p e o f t h e c u r v e a t a n y p o i n t i n F i g u r e 1 4 , v e r i f y t h a t t h e j e t c a r ' s

a c c e l e r a t i o n i s 5. 0 m / s 2 .


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16/23


F i g u r e 1 3

F i g u r e 1 4

E x e r c i s e 9

T a k e t h e s l o p e o f t h e c u r v e i n F i g u r e 1 5 t o v e r i f y t h a t t h e v e l o c i t y a t t = 1 0 s i s 2 0 7 m / s .


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17/23


F i g u r e 1 5

E x e r c i s e 1 0

( S o l u t i o n o n p . 2 2 . )

T a k e t h e s l o p e o f t h e c u r v e i n F i g u r e 1 5 t o v e r i f y t h a t t h e v e l o c i t y a t t = 3 0 . 0 s i s 2 3 8 m / s .

E x e r c i s e 1 1

B y t a k i n g t h e s l o p e o f t h e c u r v e i n F i g u r e 1 6 , v e r i f y t h a t t h e a c c e l e r a t i o n i s 3 . 2m/ s2

a t t = 1 0 s .

F i g u r e 1 6

E x e r c i s e 1 2

( S o l u t i o n o n p . 2 2 . )

C o n s t r u c t t h e d i s p l a c e m e n t g r a p h f o r t h e s u b w a y s h u t t l e t r a i n a s s h o w n i n F i g u r e 3 ( a ) . Y o u w i l l


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18/23


n e e d t o u s e t h e i n f o r m a t i o n o n a c c e l e r a t i o n a n d v e l o c i t y g i v e n i n t h e e x a m p l e s f o r t h i s g u r e .

E x e r c i s e 1 3

( a ) T a k e t h e s l o p e o f t h e c u r v e i n F i g u r e 1 7 t o n d t h e j o g g e r ' s v e l o c i t y a t t = 2 . 5s . ( b ) R e p e a t a t 7 . 5 s . T h e s e v a l u e s m u s t b e c o n s i s t e n t w i t h t h e g r a p h i n F i g u r e 1 8 .

F i g u r e 1 7


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19/23


F i g u r e 1 8

F i g u r e 1 9

E x e r c i s e 1 4

( S o l u t i o n o n p . 2 3 . )

A g r a p h o f v (t) i s s h o w n f o r a w o r l d - c l a s s t r a c k s p r i n t e r i n a 1 0 0 - m r a c e . ( S e e F i g u r e 2 0 ) . ( a )


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20/23


W h a t i s h i s a v e r a g e v e l o c i t y f o r t h e r s t 4 s ? ( b ) W h a t i s h i s i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y a t t = 5s? ( c ) W h a t i s h i s a v e r a g e a c c e l e r a t i o n b e t w e e n 0 a n d 4 s ? ( d ) W h a t i s h i s t i m e f o r t h e r a c e ?

F i g u r e 2 0

E x e r c i s e 1 5

F i g u r e 2 1 s h o w s t h e d i s p l a c e m e n t g r a p h f o r a p a r t i c l e f o r 5 s . D r a w t h e c o r r e s p o n d i n g v e l o c i t y

a n d a c c e l e r a t i o n g r a p h s .


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21/23


F i g u r e 2 1


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22/23


S o l u t i o n s t o E x e r c i s e s i n t h i s M o d u l e

S o l u t i o n t o E x e r c i s e ( p . 1 0 )

( a ) T h e s h i p m o v e s a t c o n s t a n t v e l o c i t y a n d t h e n b e g i n s t o d e c e l e r a t e a t a c o n s t a n t r a t e . A t s o m e p o i n t ,

i t s d e c e l e r a t i o n r a t e d e c r e a s e s . I t m a i n t a i n s t h i s l o w e r d e c e l e r a t i o n r a t e u n t i l i t s t o p s m o v i n g .

( b ) A g r a p h o f a c c e l e r a t i o n v s . t i m e w o u l d s h o w z e r o a c c e l e r a t i o n i n t h e r s t l e g , l a r g e a n d c o n s t a n t

n e g a t i v e a c c e l e r a t i o n i n t h e s e c o n d l e g , a n d c o n s t a n t n e g a t i v e a c c e l e r a t i o n .

F i g u r e 2 2


( a ) 1 1 5 m / s

( b ) 5. 0 m / s 2


v =( 1 1 . 7 6.95) 1 0 3 m

(40. 0 2 0 .0) s =2 3 8 m / s ( 1 4 )



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23/23


F i g u r e 2 3


( a ) 6 m / s

( b ) 1 2 m / s

( c ) 3 m / s

2

( d ) 1 0 s

G l o s s a r y

D e n i t i o n 1 : i n d e p e n d e n t v a r i a b l e

t h e v a r i a b l e t h a t t h e d e p e n d e n t v a r i a b l e i s m e a s u r e d w i t h r e s p e c t t o ; u s u a l l y p l o t t e d a l o n g t h e

x- a x i s

D e n i t i o n 2 : d e p e n d e n t v a r i a b l e

t h e v a r i a b l e t h a t i s b e i n g m e a s u r e d ; u s u a l l y p l o t t e d a l o n g t h e y - a x i s

D e n i t i o n 3 : s l o p e

t h e d i e r e n c e i n y - v a l u e ( t h e r i s e ) d i v i d e d b y t h e d i e r e n c e i n x- v a l u e ( t h e r u n ) o f t w o p o i n t s o n a

s t r a i g h t l i n e

D e n i t i o n 4 : y - i n t e r c e p t

t h e y - v a l u e w h e n x= 0 , o r w h e n t h e g r a p h c r o s s e s t h e y - a x i s

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