Вращение твердого тела
Для кинематического описания процесса вращения твердого тела нужно ввести такие понятия как угловое перемещение Δ φ , угловое ускорение ε и угловая скорость ω :
ω = ∆ φ ∆ t , ( ∆ t → 0 ) , ε = ∆ φ ∆ t , ( ∆ t → 0 ) .
Углы выражаются в радианах. За положительное направление вращения принимается направление против часовой стрелки.
Когда твердое тело вращается относительно неподвижной оси, все точки этого тела перемещаются с одинаковыми угловыми скоростями и ускорениями.
Рисунок 1. Вращение диска относительно оси, проходящей через его центр O .
Если угловое перемещение Δ φ мало, то модуль вектора линейного перемещения ∆ s → некоторого элемента массы Δ m вращающегося твердого тела можно выразить соотношением:
в котором r – модуль радиус-вектора r → .
Между модулями угловой и линейной скоростей можно установить связь посредством равенства
Модули линейного и углового ускорения также взаимосвязаны:
Векторы v → и a → = a τ → направлены по касательной к окружности радиуса r .
Также нам необходимо учесть возникновение нормального или центростремительного ускорения, которое всегда возникает при движении тел по окружности.
Модуль ускорения выражается формулой:
a n = v 2 r = ω 2 r .
Если разделить вращающееся тело на небольшие фрагменты Δ m i , обозначить расстояние до оси вращения через r i , а модули линейных скоростей через v i , то запись формулы кинестетической энергии вращающегося тела будет иметь вид:
E k = ∑ i ν m v i 2 2 = ∑ i ∆ m ( r i ω ) 2 2 = ω 2 2 ∑ i ∆ m i r i 2 .
Физическая величина ∑ i ∆ m i r i 2 носит название момента инерции I тела относительно оси вращения. Она зависит от распределения масс вращающегося тела относительно оси вращения:
I = ∑ i ∆ m i r i 2 .
В пределе при Δ m → 0 эта сумма переходит в интеграл. Единица измерения момента инерции в С И – килограмм—метр в квадрате ( к г · м 2 ) . Таким образом, кинетическую энергию твердого тела, вращающегося относительно неподвижной оси, можно представить в виде:
В отличие от выражения, которое мы использовали для описания кинестетической энергии поступательно движущегося тела m v 2 2 , вместо массы m в формулу входит момент инерции I . Также мы принимаем во внимание вместо линейной скорости v угловую скорость ω .
Если для динамики поступательного движения основную роль играет масса тела, то в динамике вращательного движения имеет значение момент инерции. Но если масса – это свойство рассматриваемого твердого тела, которое не зависит от скорости движения и других факторов, то момент инерции зависит от того, вокруг какой оси вращается тело. Для одного и того же тела момент инерции будет определяться различными осями вращения.
В большинстве задач считается, что ось вращения твердого тела проходит через центр его массы.
Положение x C , y C центра масс для простого случая системы из двух частиц с массами m 1 и m 2 , расположенными в плоскости X Y в точках с координатами x 1 , y 1 и x 2 , y 2 определяется выражениями:
x C = m 1 x 1 + m 2 x 2 m 1 + m 2 , y C = m 1 y 1 + m 2 y 2 m 1 + m 2 .
Рисунок 2. Центр масс C системы из двух частиц.
В векторной форме это соотношение принимает вид:
r C → = m 1 r 1 → + m 2 r 2 → m 1 + m 2 .
Аналогично, для системы из многих частиц радиус-вектор r C → центра масс определяется выражением
r C → = ∑ m i r i → ∑ m i .
Если мы имеем дело с твердым телом, состоящим из одной части, то в приведенном выражении суммы для r C → необходимо заменить интегралами.
Центр масс в однородном поле тяготения совпадает с центром тяжести. Это значит, что если мы возьмем тело сложной формы и подвесим его за центр масс, то в однородном поле тяготения это тело будет находиться в равновесии. Отсюда следует способ определения центра масс сложного тела на практике: его необходимо последовательно подвесить за несколько точек, одновременно отмечая по отвесу вертикальные линии.
Рисунок 3. Определение положения центра масс C тела сложной формы. A 1 , A 2 , A 3 точки подвеса.
На рисунке мы видим тело, которое подвешено за центр масс. Оно находится в состоянии безразличного равновесия. В однородном поле тяготения равнодействующая сил тяжести приложена к центру масс.
Мы можем представить любое движение твердого тела как сумму двух движений. Первое поступательное, которое производится со скоростью центра масс тела. Второе – это вращение относительно оси, которая проходит через центр масс.
Предположим. Что у нас есть колесо, которое катится по горизонтальной поверхности без проскальзывания. Все точки колеса во время движения перемещаются параллельно одной плоскости. Такое движение мы можем обозначить как плоское.
Теорема о движении центра масс
Кинестетическая энергия вращающегося твердого тела при плоском движении будет равна сумме кинетической энергии поступательного движения и кинетической энергии вращения относительно оси, которая проведена через центр масс и располагается перпендикулярно плоскостям, в которых движутся все точки тела:
E k = m v C 2 2 + I C ω 2 2 ,
где m – полная масса тела, I C – момент инерции тела относительно оси, проходящей через центр масс.
Рисунок 4. Качение колеса как сумма поступательного движения со скоростью v C → и вращения с угловой скоростью ω = v C R относительно оси O , проходящей через центр масс.
В механике используется теорема о движении центра масс.
Любое тело или несколько взаимодействующих тел, которые представляют собой единую систему, обладают центром масс. Этот центр масс под воздействием внешних сил перемещается в пространстве как материальная точка, в которой сосредоточена вся масса системы.
На рисунке мы изобразили движение твердого тела, на которое действуют силы тяжести. Центр масс тела движется по траектории, которая близка к параболе, тогда как траектория остальных точек тела является более сложной.
Рисунок 5. Движение твердого тела под действием силы тяжести.
Теорема Штейнера о параллельном переносе оси вращения
Рассмотрим случай, когда твердое тело движется вокруг некоторой неподвижной оси. Момент инерции этого тела инерции I можно выразить через момент инерции I C этого тела относительно оси, проходящей через центр масс тела и параллельной первой.
Рисунок 6. К доказательству теоремы о параллельном переносе оси вращения.
Для примера возьмем твердое тело, форма которого произвольна. Обозначим центр масс С . Выберем систему координат Х У с началом координат 0 . Совместим центр масс и начало координат.
Одна из осей проходит через центр масс С . Вторая ось пересекает произвольно выбранную точку Р , которая расположена на расстоянии d от начала координат. Выделим некоторый малый элемент массы данного твердого тела Δ m i .
По определению момента инерции:
I C = ∑ ∆ m i ( x i 2 + y i 2 ) , I P = ∑ m i ( x i — a ) 2 + y i — b 2
Выражение для I P можно переписать в виде:
I P = ∑ ∆ m i ( x i 2 + y i 2 ) + ∑ ∆ m i ( a 2 + b 2 ) — 2 a ∑ ∆ m i x i — 2 b ∑ ∆ m i y i .
Два последних члена уравнения обращаются в нуль, так как начало координат в нашем случае совпадает с центром масс тела.
Так мы пришли к формуле теоремы Штейнера о параллельном переносе оси вращения.
Для тела, которое вращается относительно произвольной неподвижной оси, момент инерции, согласно теореме Штейнера, равен сумме момента инерции этого тела относительно параллельной ей оси, проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела на квадрат расстояния между осями.
I P = I C + m d 2 ,
где m – полная масса тела.
Рисунок 7. Модель момента инерции.
На рисунке ниже изображены однородные твердые тела различной формы и указаны моменты инерции этих тел относительно оси, проходящей через центр масс.
Рисунок 8. Моменты инерции I C некоторых однородных твердых тел.
Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела
В тех случаях, когда мы имеем дело с твердым телом, которое вращается относительно неподвижной оси, мы можем обобщить второй закон Ньютона. На рисунке ниже мы изобразили твердое тело произвольной формы, вращающееся относительно некоторой оси, проходящей через точку О . Ось вращения расположена перпендикулярно плоскости рисунка.
Δ m i – это произвольный малый элемент массы, на который оказывают воздействие внешние и внутренние силы. Равнодействующая всех сил есть F i → . Ее можно разложить на две составляющие: касательную составляющую F i τ → и радиальную F i r → . Радиальная составляющая F i r → создает центростремительное ускорение a n .
Рисунок 9. Касательная F i τ → и радиальная F i r → составляющие силы F i → действующей на элемент Δ m i твердого тела.
Касательная составляющая F i τ → вызывает тангенциальное ускорение a i τ → массы Δ m i . Второй закон Ньютона, записанный в скалярной форме, дает
∆ m i a i τ = F i τ sin θ или ∆ m i r i ε = F i sin θ ,
где ε = a i τ r i – угловое ускорение всех точек твердого тела.
Если обе части написанного выше уравнения умножить на r i , то мы получим:
∆ m i r i 2 ε = F i r i sin θ = F i l i = M i .
Здесь l i – плечо силы, F i , → M i – момент силы.
Теперь нужно аналогичные соотношения записать для всех элементов массы Δmi вращающегося твердого тела, а затем просуммировать левые и правые части. Это дает:
∑ ∆ m i r i 2 ε = ∑ M i .
Стоящая в правой части сумма моментов сил, действующих на различные точки твердого тела, состоит из суммы моментов всех внешних сил и суммы моментов всех внутренних сил.
∑ M = ∑ M i в н е ш н + ∑ M i в н у т р .
Но сумма моментов всех внутренних сил согласно третьему закону Ньютона равна нулю, поэтому в правой части остается только сумма моментов всех внешних сил, которые мы будем обозначать через M . Так мы получили основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела.
Угловое ускорение ε и момент сил M в этом уравнении являются величинами алгебраическими.
Обычно за положительное направление вращения принимают направление против часовой стрелки.
Возможна и векторная форма записи основного уравнения динамики вращательного движения, при которой величины ω → , ε → , M → определяются как векторы, направленные по оси вращения.
Закон сохранения момента импульса
В разделе, посвященном поступательному движению тела, мы ввели понятие импульса тела p → . По аналогии с поступательным движением для вращательного движения мы вводим понятие момента импульса.
Момент импульса вращающегося тела – это физическая величина, которая равняется произведению момента инерции тела I на угловую скорость ω его вращения.
Для обозначения момента импульса используется латинская буква L .
Поскольку ε = ∆ ω ∆ t ; ∆ t → 0 , уравнение вращательного движения можно представить в виде:
M = I ε = I ∆ ω ∆ t или M ∆ t = I ∆ ω = ∆ L .
M = ∆ L ∆ t ; ( ∆ t → 0 ) .
Мы получили это уравнение для случая, когда I = c o n s t . Но оно будет справедливо и тогда, когда момент инерции тела будет изменяться в процессе движения.
Если суммарный момент M внешних сил, действующих на тело, равен нулю, то момент импульса L = I ω относительно данной оси сохраняется: ∆ L = 0 , если M = 0 .
L = l ω = c o n s t .
Так мы пришли к закону сохранения момента импульса.
В качестве примера приведем рисунок, на котором изображено неупругое вращательное столкновение дисков, которые насажены на общую для них ось.
Рисунок 10. Неупругое вращательное столкновение двух дисков. Закон сохранения момента импульса: I 1 ω 1 = ( I 1 + I 2 ) ω .
Мы имеем дело с замкнутой системой. Для любой замкнутой системы закон сохранения момента импульса будет справедливым. Он выполняется и в условиях экспериментов по механике, и в условиях космоса, когда планеты движутся по своим орбитам вокруг звезды.
Мы можем записать уравнение динамики вращательного движения как для неподвижной оси, так и для оси, которая перемещается равномерно или с ускорением. Вид уравнения не изменится и в том случае, если ось движется ускоренно. Для этого должно выполняться два условия: ось должна проходить через центр массы тела, а ее направление в пространстве остается неизменным.
Предположим, что у нас есть тело (шар или цилиндр), которое катится по наклонной плоскости с некоторым трением.
Рисунок 11. Качение симметричного тела по наклонной плоскости.
Ось вращения O проходит через центр масс тела. Моменты силы тяжести m g → и силы реакции N → относительно оси O равны нулю. Момент M создает только сила трения: M = F т р R .
Уравнение вращательного движения:
I C ε = I C a R = M = F т р R ,
где ε – угловое ускорение катящегося тела, a – линейное ускорение его центра масс, I C – момент инерции относительно оси O , проходящей через центр масс.
Второй закон Ньютона для поступательного движения центра масс записывается в виде:
m a = m g sin α — F т р .
Исключая из этих уравнений F т р , получим окончательно:
α = m g sin θ I C R 2 + m .
Из этого выражения видно, что быстрее будет скатываться с наклонной плоскости тело, обладающее меньшим моментом инерции. Например, у шара I C = 2 5 m R 2 , а у сплошного однородного цилиндра I C = 1 2 m R 2 . Следовательно, шар будет скатываться быстрее цилиндра.
Основное уравнение вращательного движения момента силы
«Физика — 10 класс»
Угловое ускорение.
Ранее мы получили формулу, связывающую линейную скорость υ, угловую скорость ω и радиус R окружности, по которой движется выбранный элемент (материальная точка) абсолютно твёрдого тела, которое, вращается относительно неподвижной оси:
Мы знаем, что линейные скорости и ускорения точек твёрдого тела различны. В то же время угловая скорость всех точек твёрдого тела одинакова.
Угловая скорость — векторная величина. Направление угловой скорости определяется по правилу буравчика. Если направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вращения тела, то поступательное движение буравчика указывает направление вектора угловой скорости (рис. 6.1).
Однако равномерное вращательное движение встречается довольно редко. Гораздо чаще мы имеем дело с движением, при котором угловая скорость изменяется, очевидно, это происходит в начале и конце движения.
Причиной изменения угловой скорости вращения является действие на тело сил. Изменение угловой скорости со временем определяет угловое ускорение.
Bектор угловой скорости — это скользящий вектор. Независимо от точки приложения его направление указывает направление вращения тела, а модуль определяет быстроту вращения,
Среднее угловое ускорение равно отношению изменения угловой скорости к промежутку времени, за которое это изменение произошло: 
При равноускоренном движении угловое ускорение постоянно и при неподвижной оси вращения характеризует изменение угловой скорости по модулю. При увеличении угловой скорости вращения тела угловое ускорение направлено в ту же сторону, что и угловая скорость (рис. 6.2, а), а при уменьшении — в противоположную (рис. 6.2, б).
Так как угловая скорость связана с линейной скоростью соотношением υ = ωR, то изменение линейной скорости за некоторый промежуток времени Δt равно Δυ =ΔωR. Разделив левую и правую части уравнения на Δt, имеем 
или а = εR, где а — касательное (линейное) ускорение, направленное по касательной к траектории движения (окружности).
Если время измерено в секундах, а угловая скорость — в радианах в секунду, то одна единица углового ускорения равна 1 рад/с 2 , т. е. угловое ускорение выражается в радианах на секунду в квадрате.
Неравномерно движутся при запуске и остановке любые вращающиеся тела, например ротор в электродвигателе, диск токарного станка, колесо автомобиля при разгоне и др.
Момент силы.
Для создания вращательного движения важно не только значение силы, но также и точка её приложения. Отворить дверь, оказывая давление около петель, очень трудно, в то же время вы легко её откроете, надавливая на дверь как можно дальше от оси вращения, например на ручку. Следовательно, для вращательного движения существенно не только значение силы, но и расстояние от оси вращения до точки приложения силы. Кроме этого, важно и направление приложенной силы. Можно тянуть колесо с очень большой силой, но так и не вызвать его вращения.
Момент силы — это физическая величина, равная произведению силы на плечо:
M = Fd,
где d — плечо силы, равное кратчайшему расстоянию от оси вращения до линии действия силы (рис. 6.3).
Очевидно, что момент силы максимален, если сила перпендикулярна радиус-вектору, проведённому от оси вращения до точки приложения этой силы.
Если на тело действует несколько сил, то суммарный момент равен алгебраической сумме моментов каждой из сил относительно данной оси вращения.
При этом моменты сил, вызывающих вращение тела против часовой стрелки, будем считать положительными (сила 
2), а моменты сил, вызывающих вращение по часовой стрелке, — отрицательными (силы 1 и 3) (рис. 6.4).
Основное уравнение динамики вращательного движения. Подобно тому как опытным путём было показано, что ускорение тела прямо пропорционально действующей на него силе, было установлено, что угловое ускорение прямо пропорционально моменту силы:
Пусть на материальною точку, движующуюся по окружности, действует сила (рис. 6.5). Согласно второму закону Ньютона в проекции на касательное направление имеем mак = Fк. Умножив левую и правую части уравнения на r, получим maкr = Fкr, или
Заметим, что в данном случае r — кратчайшее расстояние от оси вращения до материальной точки и соответственно точки приложения силы.
Произведение массы материальной точки на квадрат расстояния до оси вращения называют моментом инерции материальной точки и обозначают буквой I.
Таким образом, уравнение (6.1) можно записать в виде Iε = М, откуда 
Уравнение (6.2) называют основным уравнением динамики вращательного движения.
Уравнение (6.2) справедливо и для вращательного движения твёрдого тела, имеющего неподвижную ось вращения, где I — момент инерции твёрдого тела, а М — суммарный момент сил, действующих на тело. В этой главе при расчёте суммарного момента сил мы рассматриваем только силы или их проекции, принадлежащие плоскости, перпендикулярной оси вращения.
Угловое ускорение, с которым вращается тело, прямо пропорционально сумме моментов сил, действующих на него, и обратно пропорционально моменту инерции тела относительно данной оси вращения.
Если система состоит из набора материальных точек (рис. 6.6), то момент инерции этой системы относительно данной оси вращения ОО’ равен сумме моментов инерции каждой материальной точки относительно этой оси вращения: I = m1r 2 1 + m2r 2 2 + . .
Момент инерции твёрдого тела можно вычислить, разделив тело на малые объёмы, которые можно считать материальными точками, и просуммировать их моменты инерции относительно оси вращения. Очевидно, что момент инерции зависит от положения оси вращения.
Из определения момента инерции следует, что момент инерции характеризует распределение массы относительно оси вращения.
Приведём значения моментов инерции для некоторых абсолютно твёрдых однородных тел массой m.
1. Момент инерции тонкого прямого стержня длиной l относительно оси, перпендикулярной к стержню и проходящей через его середину (рис. 6.7), равен:
2. Момент инерции прямого цилиндра (рис. 6.8), или диска относительно оси ОО’, совпадающей с геометрической осью цилиндра или диска:
3. Момент инерции шара радиусом R относительно оси, проходящей через его центр:
4. Момент инерции тонкого обруча радиусом R относительно оси, проходящей через его центр:
Момент инерции по физическому смыслу во вращательном движении играет роль массы, т. е. он характеризует инертность тела по отношению к вращательному движению. Чем больше момент инерции, тем сложнее тело заставить вращаться или, наоборот, остановить вращающееся тело.
Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский
Законы сохранения в механике — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика
Глава 10. Вращаем объекты: момент силы
- Переходим от поступательного движения к вращательному движению
- Вычисляем тангенциальную скорость и тангенциальное ускорение
- Выясняем связь между угловым ускорением и угловой скоростью
- Разбираемся с моментом силы
- Поддерживаем вращательное движение
Эта и следующая главы посвящены вращательному движению объектов самой разной природы: от космических станций до пращи. Именно такое движение стало причиной того, что наша планета имеет круглую форму. Если вам известны основные свойства прямолинейного движения и законы Ньютона (они подробно описываются в двух первых частях этой книги), то вы сможете быстро овладеть основами вращательного движения. Даже если вы позабыли некоторые сведения из прежних глав, не беда, ведь к ним всегда можно вернуться в случае необходимости. В этой главе представлены основные понятия вращательного движения: угловая скорость угловое ускорение, тангенциальное ускорение, момент силы и т.п. Однако довольно слов, приступим к делу!
Переходим от прямолинейного движения к вращательному
Для такого перехода нужно изменить уравнения, которые использовались ранее для описания прямолинейного движения. В главе 7 уже упоминались некоторые эквиваленты (или аналоги) из мира прямолинейного и вращательного движения.
Вот как выглядят основные формулы прямолинейного движения, которые подробно описываются в главе 3:
- \( v=\Delta
/\Delta\) , где \( v \) — это скорость, \( \Delta \) — перемещение, a \( \Delta\) — время перемещения; - \( a=\Delta
/\Delta \) , где \( a \) — это ускорение, \( \Delta \) — изменение скорости, a \( \Delta \) — время изменения скорости; - \( \Delta
=v_0(t_1-t_0)+<>^1\!/\!_2a(t_1-t_0)^2 \) , где \( v_0 \) — это начальная скорость, \( t_0 \) — это начальный момент времени, a \( t_1 \) — это конечный момент времени; - \( v^2_1-v^2_0=2a\Delta
\) , где \( v_1 \) — это конечная скорость.
По аналогии можно легко вывести основные формулы вращательного движения:
- \( \omega=\Delta<\theta>/\Delta
\) , где \( \omega \) — угловая скорость, \( \Delta <\theta>\) — угол поворота, \( \Delta \) — время поворота на угол \( \Delta <\theta>\) ; - \( \alpha=\Delta<\omega>/\Delta
\) , где \( \alpha \) — угловое ускорение, \( \Delta <\omega>\) — изменение угловой скорости, \( \Delta \) — время изменения угловой скорости; - \( \theta=\omega_0(t_1-t_0)+<>^1\!/\!_2a(t_1-t_0)^2 \) , где \( \omega_0 \) — это начальная скорость;
- \( \omega^2_1-w^2_0=2as \) , где \( \omega_1 \) — это конечная скорость.
Разбираемся с параметрами вращательного движения
В физике движение принято разделять на поступательное и вращательное. При поступательном движении любая прямая, связанная с движущимся объектом, остается параллельной самой себе. При вращательном движении все точки тела движутся по окружностям. Тангенциальным движением называется часть вращательного движения, происходящего по касательной к окружности вращения, а радиальным (или нормальным) движением — часть вращательного движения, происходящего перпендикулярно (по нормали) к касательной, т.е. вдоль радиуса окружности.
Параметры прямолинейного поступательного и вращательного движений можно связать следующими формулами:
Допустим, колеса мотоцикла вращаются с угловой скоростью \( \omega \) , равной 21,5 \( 21,5\pi \) радиан в секунду. С какой скоростью едет мотоцикл? Чтобы дать ответ на этот вопрос, достаточно воспользоваться простой формулой связи линейной и угловой скорости.
Вычисляем линейную скорость вращательного движения
Скорость тангенциального движения материальной точки принято называть линейной скоростью вращательного движения. На рис. 10.1 приведен пример вращения мячика для игры в гольф по окружности с радиусом \( \mathbf
Угловая скорость связана с линейной скоростью соотношением \( v=r\omega \) , которое легко интуитивно понять. При одинаковой угловой скорости, чем дальше материальная точка от центра окружности вращения, тем больше ее линейная скорость.
Попробуем получить уже упомянутую выше формулу связи линейной и угловой скорости \( v=r\omega \) . Длина окружности \( L \) радиуса \( r \) выражается известной формулой \( L=2\pi r \) , а полный угол, который охватывает окружность, равен \( 2\pi \) радиан. Соответственно, длина дуги окружности длиной \( \Delta s \) , охватывающая угол \( \Delta\theta \) , равна:
Из формулы прямолинейного движения
путем подстановки выражения для \( \Delta s \) получим:
где \( \omega \) — угловая скорость, \( \Delta <\theta>\) — угол поворота, \( \Delta
Теперь можно легко и просто дать ответ на вопрос, поставленный в конце предыдущего раздела, т.е. определить скорость мотоцикла по угловой скорости вращения его колес. Итак, колеса мотоцикла вращаются с угловой скоростью \( \omega \) , равной 21,5 \( \pi \) радиан в секунду. Пусть радиус колеса \( r \) равен 40 см, тогда достаточно использовать следующую формулу:
Подставляя в нее значения, получим:
Итак, скорость мотоцикла равна 27 м/с или 97 км/ч.
Вычисляем тангенциальное ускорение
Тангенциальным ускорением называется скорость изменения величины линейной скорости вращательного движения. Эта характеристика вращательного движения очень похожа на линейное ускорение прямолинейного движения (см. главу 3). Например, точки на колесе мотоцикла в момент старта имеют нулевую линейную скорость, а спустя некоторое время после разгона ускоряются до некоторой ненулевой линейной скорости. Как определить это тангенциальное ускорение точки колеса? Переформулируем вопрос: как связать линейное ускорение
где \( a \) — это ускорение, \( \Delta v \) — изменение скорости, a \( \Delta t \) — время изменения скорости, с угловым ускорением
где \( \Delta\omega \) — изменение угловой скорости, \( \Delta t \) — время изменения угловой скорости?
Как мы уже знаем, линейная и угловая скорости связаны равенством
Подставим это выражение в предыдущую формулу линейного ускорения:
Поскольку радиус остается постоянным, то его можно вынести за скобки:
Поскольку угловое ускорение \( \alpha=\Delta\omega/\Delta t \) , то:
Итак, получаем следующую формулу связи между линейным и угловым ускорением:
Иначе говоря, тангенциальное ускорение равно произведению радиуса на угловое ускорение.
Вычисляем центростремительное ускорение
Центростремительнным ускорением называется ускорение, необходимое для удержания объекта на круговой орбите вращательного движения. Как связаны угловая скорость и центростремительное ускорение? Формула для центростремительного ускорения уже приводилась ранее (см. главу 7):
Теперь, используя известную формулу связи линейной и угловой скорости \( v=r\omega \) , получим:
По этой формуле можно определить величину центростремительного ускорения по известной угловой скорости и радиусу. Например, для вычисления центростремительного ускорения Луны, вращающейся вокруг Земли, удобно использовать именно эту формулу.
Луна делает полный оборот вокруг Земли за 28 дней, т.е. за 28 дней Луна проходит \( 2\pi \) радиан. Отсюда получаем угловую скорость Луны:
Чтобы получить значение угловой скорости в привычных единицах, следует преобразовать дни в секунды:
После подстановки этого значения в предыдущую формулу получим:
Средний радиус орбиты Луны равен 3,85·10 8 м. Подставляя эти значения угловой скорости и радиуса в формулу центростремительного ускорения, получим:
Зная это ускорение и массу Луны, которая равна 7,35·10 22 кг, можно определить центростремительную силу, необходимую для удержания Луны на ее орбите:
Используем векторы для изучения вращательного движения
В предыдущих разделах этой главы угловая скорость и угловое ускорение рассматривались как скаляры, т.е. как параметры, характеризующиеся только величиной. Однако эти параметры вращательного движения, на самом деле, являются векторами, т.е. они обладают величиной и направлением (см. главу 4). В этом разделе рассматривается величина и направление некоторых параметров вращательного движения.
Определяем направление угловой скорости
Как нам уже известно, вращающееся колесо мотоцикла имеет не только угловую скорость, но и угловое ускорение. Что можно сказать о направлении вектора угловой скорости? Оно не совпадает с направлением линейной тангенциальной скорости, а… перпендикулярно плоскости колеса!
Эта новость всегда приводит к некоторому замешательству среди новичков: угловая скорость \( \omega \) , оказывается, направлена вдоль оси вращающегося колеса (рис. 10.2). Во вращающемся колесе единственной неподвижной точкой является его центр. Поэтому начало вектора угловой скорости принято располагать в центре окружности вращения.
Для определения направления вектора угловой скорости \( \omega \) часто используют правило правой руки. Если охватить ладонью ось вращения, а пальцы свернуть так, чтобы они указывали на направление тангенциальной скорости, то вытянутый большой палец укажет направление вектора угловой скорости \( \omega \) .
Теперь угловую скорость можно использовать так же, как и остальные векторные характеристики движения. Направление вектора угловой скорости можно найти по правилу правой руки, а величину — по приведенной ранее формуле. То, что вектор угловой скорости направлен перпендикулярно плоскости вращательного движения, часто вызывает некоторые трудности у начинающих, но к этому можно быстро привыкнуть.
Определяем направление углового ускорения
Если вектор угловой скорости направлен перпендикулярно плоскости вращательного движения, то куда направлен вектор углового ускорения в случае замедления или ускорения вращения объекта? Как известно (см. предыдущие разделы), угловое ускорение определяется формулой:
где \( \alpha \) — угловое ускорение, \( \Delta\omega \) — изменение угловой скорости, \( \Delta t \) — время изменения угловой скорости.
В векторной форме оно имеет следующий вид:
где \( \mathbf <\alpha>\) — вектор углового ускорения, а \( \Delta\mathbf <\omega>\) — изменение вектора угловой скорости. Отсюда ясно, что направление вектора углового ускорения совпадает с направлением изменения вектора угловой скорости.
Если вектор угловой скорости меняется только по величине, то направление вектора углового ускорения параллельно направлению вектора угловой скорости. Если величина угловой скорости растет, то направление вектора углового ускорения совпадает с направлением вектора угловой скорости, как показано на рис. 10.3.
А если величина угловой скорости падает, то направление вектора углового ускорения противоположно направлению вектора угловой скорости, как показано на рис. 10.4.
Поднимаем грузы: момент силы
В физике большое значение имеет не только время, но и место приложения силы. Всем когда-либо приходилось пользоваться рычагом для перемещения тяжелых грузов. Чем длиннее рычаг, тем легче сдвинуть груз. На языке физики применение силы с помощью рычага характеризуется понятием момент силы.
Приложение момента силы неразрывно связано с вращательным движением объектов. Если приложить силу к краю карусели, то карусель начнет вращательное движение. Чем дальше точка приложения силы, тем легче раскрутить карусель до заданной угловой скорости (параметры вращательного движения описываются в главе 1 1 ).
В верхней части рис. 10.5 показаны весы-качели с грузом массы \( m_1 \) на одном конце и грузом большей массы \( m_2=2m_1 \) посередине. Чтобы уравновесить весы-качели, нужно сместить груз с большей массой \( m_2 \) к другому концу весов, как показано в нижней части рис. 10.5. Как известно из опыта, размещение груза в точке вращения весов не приводит к уравновешиванию весов. Чтобы уравновесить весы, нужно сдвинуть груз с большей массой \( m_2=2m_1 \) к другому концу весов на расстояние вдвое меньшее, чем расстояние от точки вращения до второго груза с массой \( m_1 \) .
Знакомимся с формулой момента силы
Для уравновешивания весов важно не только, какая сила используется, но и где она прикладывается. Расстояние от точки приложения силы до точки вращения называется плечом силы.
Предположим, что нам нужно открыть дверь, схематически показанную на рис. 10.6. Как известно из опыта, дверь практически невозможно открыть, если прилагать силу вблизи петель (см. схему А на рис. 10.6). Однако, если приложить силу посередине двери, то открыть ее будет гораздо проще (см. схему Б на рис. 10.6). Наконец, прилагая силу у противоположного края двери по отношению к расположению петель, ее можно открыть с еще меньшим усилием (см. схему В на рис. 10.6).
На рис. 10.6 расстояние от мест расположения петель до точки приложения силы и есть плечо силы. Моментом силы называется произведение прилагаемой силы \( F \) на плечо силы \( l \) :
Момент силы в системе СИ измеряется в Н·м, а в системе СГС — в дин·см (подробнее эти системы единиц измерения описываются в главе 2).
Вернемся к примеру на рис. 10.6, где требуется открыть дверь шириной 1 м с помощью силы величиной 200 Н. В случае А (см. рис. 10.6) плечо силы равно нулю и произведение этого плеча на силу любой величины (включая и силу 200 Н) даст нулевой момент силы. В случае Б (см. рис. 10.6) плечо силы равно половине ширины двери, т.е. плечо силы \( l \) равно 0,5 м и момент силы будет равен:
В случае В (см. рис. 10.6) плечо силы равно ширине двери, т.е. плечо силы \( l \) равно 1 м и момент силы будет равен:
Итак, увеличение вдвое длины плеча при той же силе дает нам такое же увеличение момента силы. До сих пор сила прилагалась перпендикулярно к линии, соединяющей точку приложения силы и точку вращения. А что будет с моментом силы, если дверь будет немного приоткрыта и направление силы уже будет не перпендикулярным?
Разбираемся с направлением приложенной силы и плечом силы
Допустим, что сила приложена не перпендикулярно к поверхности двери, а параллельно, как показано на схеме А на рис. 10.7. Как известно из опыта, таким образом дверь открыть невозможно. Дело в том, что у такой силы нет проекции, которая бы могла вызвать вращательное движение. Точнее говоря, у такой силы нет ненулевого плеча для создания вращательного момента силы.
Размышляем над тем, как создается момент силы
Момент силы из предыдущего примера требуется создавать всегда для открытия двери независимо от того, какую дверь приходится открывать: легкую калитку изгороди или массивную дверь банковского сейфа. Как вычислить необходимый момент силы? Сначала нужно определить плечо сил, а потом умножить его на величину силы.
Однако не всегда все так просто. Посмотрите на схему Б на рис. 10.7. Как видите, сила прилагается под некоторым углом \( \theta \) . Как в таком случае определить плечо силы? Если бы угол \( \theta \) был прямым, то мы могли бы воспользоваться уже известно нам формулой:
Однако в данном случае угол \( \theta \) не является прямым.
В таком случае нужно просто помнить следующее правило: плечом силы называется длина перпендикуляра, опущенного из предполагаемой точки вращения на прямую, относительно которой действует сила.
Попробуем применить это правило определения плеча силы для схемы Б на рис. 10.7. Нужно продлить линию, вдоль которой действует сила, а потом опустить на нее перпендикуляр из точки вращения двери. Из полученного прямоугольного треугольника легко определить искомое плечо силы:
Если угол \( \theta \) равен нулю, то никакого момента силы не возникает (см. схему А на рис. 10.7).
Итак, получаем для момента силы для схемы Б на рис. 10.7:
Например, если требуется открыть дверь шириной 1 м с помощью силы величиной 200 Н, приложенной под углом \( \theta \) = 45°, то создаваемый момент этой силы будет равен:
Как видите, этот момент силы 140 Н·м меньше, чем момент силы 200 Н·м, созданный под прямым углом на схеме В на рис. 10.6.
Определяем направление момента силы
Учитывая все приведенные выше сведения о моменте силы, у читателя вполне может возникнуть подозрение, что момент силы обладает направлением. И это действительно так. Момент силы является векторной величиной, направление которой определяется по правилу правой руки. Если охватить ладонью ось вращения, а пальцы свернуть так, чтобы они указывали на направление силы, то вытянутый большой палец укажет направление вектора момента силы.
На рис. 10.8 показан пример силы \( \mathbf
Уравновешиваем моменты сил
В жизни нам часто приходится сталкиваться с равновесными состояниями. Как равновесное механическое состояние определяется с точки зрения физики? Обычно физики подразумевают под равновесным состоянием объекта то, что он не испытывает никакого ускорения (но может двигаться с постоянной скоростью).
Для поступательного движения равновесное состояние означает, что сумма всех сил, действующих на объект равна нулю:
Иначе говоря, результирующая действующая сила равна нулю.
Вращательное движение также может быть равновесным, если такое движение происходит без углового ускорения, т.е. с постоянной угловой скоростью.
Для вращательного движения равновесное состояние означает, что сумма всех моментов сил, действующих на объект, равна нулю:
Как видите, это условие равновесного вращательного движения аналогично условию равновесного поступательного движения. Условия равновесного вращательного движения удобно использовать для определения момента силы, необходимого для уравновешивания неравномерно вращающегося объекта.
Простой пример: вешаем рекламный плакат
Предположим, что у входа в магазин нужно повесить большой и тяжелый рекламный плакат, как показано на рис. 10.9. Хозяин магазина пытался сделать это и раньше, но у него ничего не выходило, поскольку он использовал очень непрочный болт.
Попробуем определить силу, с которой болт должен удерживать всю конструкцию, показанную на рис. 10.9. Пусть плакат имеет массу 50 кг и висит на шесте 3 м от точки опоры шеста, а массу шеста в данном примере будем считать пренебрежимо малой. Болт находится в 10 см от точки опоры шеста.
Согласно условиям равновесия, сумма всех моментов сил должна быть равна нулю:
где \( \mathbf
Чему равны упомянутые моменты? Момент силы со стороны плаката можно легко определить по формуле:
где \( m \) = 50 кг — это масса плаката, \( \mathbf
Подставляя значения, получим:
Обратите внимание, что здесь перед ускорением свободного падения под действием силы гравитационного притяжения стоит знак “минус”. Это значит, что вектор ускорения свободного падения направлен вниз, т.е. в сторону, противоположную выбранному направлению оси координат.
Момент силы со стороны болта определяется формулой:
где \( \mathbf
Подставляя полученные выражения для моментов сил в формулу:
Отсюда с помощью простых алгебраических преобразований получим искомую силу:
Как видите сила, с которой болт должен удерживать всю конструкцию, направлена противоположно вектору ускорения свободного падения, т.е. вверх.
Подставляя значения, получим искомый ответ:
Более сложный пример: учитываем силу трения при расчете равновесия
Рассмотрим теперь другую более сложную задачу, в которой для расчета равновесия системы объектов нужно учесть силу трения. Предположим, что работник магазина решил использовать переносную лестницу для монтажа рекламного плаката, как схематически показано на рис. 10.10.
Пусть лестница длиной \( l_л \) = 4 м стоит под углом \( \theta \) = 45° к поверхности тротуара, работник имеет массу \( m_р \) = 45 кг и находится на ней на расстоянии \( l_р \) = 3 м от нижнего конца лестницы, лестница имеет массу \(m_л \) = 20 кг, а коэффициент трения покоя между поверхностью тротуара и концами лестницы равен \( \mu_п \) = 0,7. Вопрос: будет ли такая система объектов находиться в состоянии равновесия? Попросту говоря, достаточной ли будет сила трения, чтобы лестница вместе с рабочим не соскользнула и упала?
Итак, для ответа на этот вопрос нам нужно учесть следующие силы, действующие на лестницу:
- \( \mathbf
\) — нормальная сила со стороны стены; - \( \mathbf
\) — вес рабочего; - \( \mathbf
\) — вес лестницы; - \( \mathbf
- \( \mathbf
\) — нормальная сила со стороны тротуара.
Согласно условиям равновесного поступательного движения, сумма всех сил, действующих на лестницу, должна быть равна нулю:
Это значит, что сумма всех сил вдоль горизонтальной оси, а именно нормальной силы со стороны стены \( \mathbf
Перефразируя поставленный выше вопрос о достаточности силы трения, получим: выполняется ли условие
Кроме того, сумма всех сил вдоль вертикальной оси, а именно веса рабочего \( \mathbf
Согласно условиям равновесного вращательного движения, также необходимо равенство нулю всех моментов сил, действующих на лестницу:
Пусть предполагаемой точкой вращения является нижний конец лестницы, тогда должна быть равна нулю сумма моментов сил, создаваемых весом рабочего \( \mathbf
Поскольку \( L_р=l_р \) , \( L_л=l_л/2 \) (центр тяжести лестницы находится посередине лестницы), \( L_с=l_л \) , \( \alpha=360^<\circ>-\theta \) , \( \beta=360^<\circ>-\theta \) и \( \gamma=\theta \) , то получим:
Таким образом, мы получили систему из двух уравнений с двумя неизвестными сил \( \mathbf
Зададимся вопросом: соблюдается ли условие
Из системы двух уравнений получим:
Итак, остается выяснить, соблюдается ли условие:
После подстановки значений получим:
Поскольку \( \mu_т \) = 0,7, то упомянутое условие соблюдается, и лестница с рабочим не упадет.
http://class-fizika.ru/10_a226.html
http://fizi4ka.ru/fizika-s-formulami/glava-10-vrashhaem-obekty-moment-sily.html