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Von der Durchschnittsgeschwindigkeit
zur Momentangeschwindigkeit

Betrachtet wird ein Massenpunkt, der eine eindimensionale Bewegung in x-Richtung durchführt. In einem Zeitintervall [t0;t1] mit t1=t0+∆t ändert sich sein Ort um ∆x=x⁡(t1)−x⁡(t0). Für die Durchschnittsgeschwindigkeit des Massenpunkts – also die mittlere Änderungsrate seines Orts – in diesem Zeitintervall der Länge ∆t gilt folglich:

v─=∆x∆t=x⁡(t1)−x⁡(t0)∆t=x⁡(t0+∆t)−x⁡(t0)∆t.

Je kleiner ∆t ist, desto besser eignet sich diese Durchschnittsgeschwindigkeit als Näherung der Momentangeschwindigkeit, die der Massenpunkt zum Zeitpunkt t0 besitzt.

Im Folgenden können Sie untersuchen, wie sich die Durchschnittsgeschwindigkeit v─ des Massenpunkts seiner Momentangeschwindigkeit v⁡(t0) annähert, wenn Sie ∆t verkleinern.

Animation:

Momentangeschwindigkeit als Differentialquotient

Die Durchschnittsgeschwindigkeit v─ im Zeitintervall [t0;t0+∆t] kommt der Momentangeschwindigkeit v⁡(t0), die der Massenpunkt zum Zeitpunkt t0 besitzt, beliebig nahe, wenn ∆t gegen den Wert 0 strebt. Deshalb erhält man die Momentangeschwindigkeit als Grenzwert:

v⁡(t0)=lim∆t→0(x⁡(t0+∆t)−x⁡(t0)∆t).

Man kann sich diesen Grenzwert als Differentialquotienten aus der momentanen Ortsänderung dx⁡(t0) zum Zeitpunkt t0 und einer unendlich kurzen Zeitspanne dt vorstellen:

v⁡(t0)=dx⁡(t0)dt.

Gemäß dieser Vorstellung erfährt der Massenpunkt zum Zeitpunkt t0 also die momentane Ortsänderung

dx⁡(t0)=v⁡(t0)⋅dt.