Pöörlemisliikumine (füüsika): mis see on ja miks see oluline on

Võib-olla mõtlete oma maailmas toimuvatele liikumistele ja objektide liikumisele laiemalt, peamiselt seeriale sirgjooned: kõnnite sirgjooneliselt või kõverate radadega, et ühest kohast teise pääseda, ja vihma ja muud asju sajab taevas; suur osa maailma kriitilisest geomeetriast arhitektuuris, infrastruktuuris ja mujal põhineb nurkadel ja hoolikalt paigutatud joontel. Esmapilgul võib elu tunduda lineaarse (või translatsioonilise) liikumise poolest palju rikkam kui nurga (või pöörlemise) liikumise poolest.

Nagu paljude inimeste arusaamade puhul, on ka see eksitav selles ulatuses, mida iga inimene seda kogeb. Tänu sellele, kuidas teie meeled on struktuurid maailma tõlgendamiseks, on teie jaoks loomulik selles maailmas navigeeridaedasijatagasijaeksjavasakulejaülesjaalla. Aga kas see polnud sellekspöördliikumine- see tähendab liikumine ümber fikseeritud telje - poleks universumit või vähemalt mitte üht külalislahket või füüsikahuvilistele äratuntavat.
Okei, nii et asjad keerlevad nii ümber kui ka üldiselt muutuvad. Mis sellest? Noh, suured pöördliikumise võtmed on järgmised: 1) Selle maailmas on matemaatilisi analooge

Pöörlemisliikumine tähistab kõike, mis ringikujuliselt pöörleb või liigub. Seda nimetatakse ka nurkliikumiseks või ringliikumiseks. Liikumine võib olla ühtlane (s.t kiirusvei muutu) või ebaühtlane, kuid see peab olema ringikujuline.

• Maa ja teiste planeetide pööret ümber päikese võib lihtsuse mõttes käsitleda ringikujulisena, kuid planeetide orbiidid on tegelikult elliptilised (kergelt ovaalsed) ja pole seetõttu pöörlemisnäide liikumine.

Objekt võib olla pöörlev, kogedes samal ajal ka lineaarset liikumist; kaaluge lihtsalt jalgpalli pöörlemist nagu tipp, kuna see kaar ka läbi õhu, või tänaval veerevat ratast. Teadlased kaaluvad seda tüüpi liikumisi eraldi, kuna nende tõlgendamiseks ja selgitamiseks on vaja eraldi võrrandeid (kuid jällegi tihedalt analoogseid).

Tegelikult on kasulik kasutada spetsiaalset mõõtmiste ja arvutuste komplekti, et kirjeldada nende objektide pöörlemisliikumist erinevalt nende translatsioonilisest või lineaarne liikumine, kuna sageli saate lühikese värskenduse näiteks geomeetrias ja trigonomeetrias, on teadusmeelsetel alati hea kindel olla hakkama saama.

Ehkki pöörleva liikumise lõplik mittetunnustamine võib olla „Lame Earthism“, on sellest tegelikult üsna lihtne mööda vaadata ka siis, kui olete välimus, võib-olla seetõttu, et paljude inimeste meeled on koolitatud võrdsustama "ringliikumist" ja "ringi". Isegi väikseim lõik teest objekt, mis pöörleb väga kaugel teljel - mis näeks silmapilgul sirge - kujutab ringjoont liikumine.

Selline liikumine on kõikjal meie ümber, näited hõlmavad pallide ja rataste veeremist, karusselle, planeetide pöörlemist ja elegantselt keerutavaid uisutajaid. Näited liikumistest, mis ei pruugi tunduda pöörleva liikumisena, kuid tegelikult on, hõlmavad saagide avamist, uste avamist ja mutrivõtme pööramist. Nagu ülalpool märgitud, kuna sellistel juhtudel on kaasatud pöördenurgad sageli väikesed, on seda lihtne oma mõtetes nurkliikumisena mitte filtreerida.

Mõelge korraks jalgratturi liikumisele "fikseeritud" maapinna suhtes. Kuigi on ilmne, et ratta rattad liiguvad ringjooneliselt, kaaluge, mida tähendab jalgratturi jalgade kinnitamine pedaalide külge, kui puusad jäävad istme kohal seisma.

Nende vahel olevad "hoovad" teostavad keerulist pöörlevat liikumist, kusjuures põlved ja pahkluud jälgivad erineva raadiusega nähtamatuid ringe. Samal ajal võib kogu pakett liikuda Tour de France'i ajal läbi Alpide 60 km / h.

Sajad aastad tagasi lõi Isaac Newton, võib-olla ajaloo kõige suurema mõjuga matemaatika- ja füüsikauuendaja, kolm liikumisseadust, mis põhinesid suuresti Galileo tööl. Kuna uurite liikumist ametlikult, võiksite samuti olla kursis kogu liikumist reguleerivate "põhireeglitega" ja kes need avastas.

​Newtoni esimene seadus, inertsiseadus ütleb, et püsiva kiirusega liikuv objekt jätkab seda ka siis, kui väline jõud teda ei häiri.Newtoni teine ​​seadusteeb ettepaneku, et kui netojõudFmõjub massile m, see kiirendab (muudab kiirust) mingil viisil:F= ma​. ​Newtoni kolmas seadusväidab, et iga jõu kohtaFon olemas jõud–F, suuruselt võrdne, kuid vastupidises suunas, nii et looduses olevate jõudude summa on null.

Füüsikas võib mis tahes suurust, mida saab kirjeldada lineaarselt, ka nurkadega. Kõige olulisemad neist on:

​Nihutamine.Tavaliselt hõlmavad kinemaatikaülesanded positsiooni täpsustamiseks kahte lineaarset mõõdet, x ja y. Pöörlemisliikumine hõlmab osakest pöörlemisteljest kaugemal r, vajadusel nurga all, mis on määratud nullpunkti suhtes.

​Kiirus.M / s kiiruse v asemel on pöörlemisliikumisel nurkkiirusω(kreeka täht omega) radiaanides sekundis (rad / s). Oluline on agakonstantse ω-ga liikuval osakesel on ka a​ ​tangentsiaalne kiirus​ ​v_tsuunas ristir​​.Isegi kui suurus on konstantne,v_ton alati muutuv, kuna selle vektori suund muutub pidevalt. Selle väärtus leitakse lihtsaltv​_t = ​ωr​.

​Kiirendus.Nurkkiirendus, kirjalikα(Kreeka täht alfa) on pöörlemisliikumise põhiprobleemides sageli null, kunaωhoitakse tavaliselt konstantsena. Aga sestv_t, nagu eespool märgitud, on alati muutuv, on olemas atsentripetaalne kiirendus a_csuunatud pöörlemistelje suunas sissepoole ja suurusega

​Jõudu.Jõusid, mis toimivad ümber pöörlemistelje, või "väänavaid" (väände) jõude, nimetatakse pöördemomentideks ja neid - jõu F ja selle toimimiskauguse pöörlemisteljest (s.t. pikkuse korrutis)kangivarras​):

Pange tähele, et pöördemomendi ühikud on Newton-meetrid ja "×" tähistab siin vektori risttoodet, mis näitab, etτon risti selle moodustatud tasapinnagaFjar.​

​Mass.Kui mass, m, tegurid pöörlemisprobleemideks, lisatakse see tavaliselt spetsiaalsesse suurusse, mida nimetatakse inertsimomendiks (või pindala teiseks hetkeks)Mina. Lisateavet selle näitleja kohta saate koos fundamentaalsema kvantnurga hulgagaL, varsti.

Kuna pöörlemisliikumine hõlmab ümmarguste radade uurimist, selle asemel, et kasutada objekti nurknihke kirjeldamiseks meetreid, kasutavad füüsikud radiaane või kraadi. Radiaan on mugav, kuna see väljendab nurki loomulikult π-ga, kuna üks ring on täielik(360 kraadi) võrdub 2π radiaaniga​.

• Füüsikas on tavaliselt täheldatud nurki 30 kraadi (

π / 6 rad), 45 kraadi (π / 4 rad), 60 kraadi (π / 3 rad) ja 90 kraadi (π / 2 rad).

Võime tuvastadapöörlemistelgon pöörlevate liikumiste mõistmisel ja sellega seotud probleemide lahendamisel hädavajalik. Mõnikord on see otsekohene, kuid mõelge, mis juhtub, kui pettunud golfimängija saadab viie rauaga keereldes järve poole õhku.

Üks jäik kerekontuur pöörleb üllatavalt mitmel viisil: end-over-end (nagu võimleja, kes teeb 360-kraadiseid vertikaalseid pöördeid, hoides samal ajal horisontaalne riba), piki pikkust (nagu auto veovõll) või pöörleb fikseeritud keskpunktist (nagu sama auto ratas).

Tavaliselt muutuvad objekti liikumise omadused sõltuvalt sellestkuidassee on pööratud. Mõelgem silindrile, millest pool on valmistatud pliist ja teine ​​pool on õõnes. Kui pöörlemistelg valitakse selle pika telje kaudu, oleks massi jaotus selle telje ümber sümmeetriline, ehkki mitte ühtlane, nii et võite ette kujutada, et see pöörleb sujuvalt. Aga mis siis, kui telg valitakse läbi raske otsa? Õõnes ots? Keskel?

Nagu sa just õppisid, keerutadsamaobjekt a ümbererinevadpöörlemistelg või raadiuse muutmine võib liikumise enam-vähem keeruliseks muuta. Selle kontseptsiooni loomulik jätk on see, et erineva massijaotusega sarnase kujuga objektidel on erinevad pöörlemisomadused.

Seda püüab kogus nimegainertsimoment I,mis näitab, kui raske on objekti nurkkiirust muuta. Selle üldmõju pöörlemisliikumisele on see analoogne massiga lineaarses liikumises. Nagu keemia perioodilisustabeli elementide puhul, pole valemit otsides petlikMinamis tahes objekti jaoks; käepärane tabel on ressurssidest. Agakõigi objektide puhul​ ​Mina​ ​on võrdeline mõlema massiga​ (​m​) ​ja raadiuse ruut(r²).

Suurim rollMinaarvutusfüüsikas on see, et see pakub platvormi nurkkiiruse arvutamiseksL​:

Thenurga impulssi säilimise seaduspöörlevas liikumises on analoogne lineaarse impulssi säilimise seadusega ja on pöörleva liikumise kriitiline mõiste. Näiteks pöördemoment on vaid nurkimpulsi muutumise kiiruse nimi. See seadus ütleb, et kogu impulss L üheski pöörlevate osakeste või objektide süsteemis ei muutu.

See seletab, miks uisutaja pöörleb nii palju kiiremini, kui ta sülle tõmbab, ja miks ta neid laiali ajab, et end strateegilise peatuseni aeglustada. Tuletage see meeldeLon võrdeline nii m kui ka r-ga² (sestMinaon jaL = I​​ω). Kuna L peab jääma konstantseks ja m väärtus (uisutaja mass probleemi ajal ei muutu, kui r suureneb, siis lõplik nurkkiirusωpeab vähenema ja vastupidi.

Te olete juba õppinud tsentripetaalse kiirenduse kohtaa_c,ja see, kus mängib kiirendus, on ka jõud. Jõud, mis sunnib objekti kõverat rada mööda minema, allub atsentripetaalne jõud.Klassikaline näide: Thepinge(jõud pikkuse ühiku kohta) on nööril, mis hoiab lõkkepalli, suunatud varda keskosa poole ja paneb palli ümber varda liikuma.

See põhjustab tsentripetaalset kiirendust tee keskosa suunas. Nagu eespool märgitud, on objektil isegi pideva nurkkiiruse korral tsentripetaalne kiirendus, kuna lineaarse (tangentsiaalse) kiiruse suundv_tmuutub pidevalt.