Rotacinis judesys (fizika): kas tai yra ir kodėl tai svarbu

Galbūt jūs galvojate apie savo judesius pasaulyje ir apskritai apie daiktų judėjimą, kalbėdami daugiausia apie serijas tiesios linijos: jūs einate tiesiomis linijomis ar kreivais takais, kad patektumėte iš vietos, o lietus ir kiti dalykai krinta iš vietos dangus; didžioji pasaulio kritinės geometrijos dalis architektūroje, infrastruktūroje ir kitur yra nukreipta į kampus ir kruopščiai išdėstytas linijas. Iš pirmo žvilgsnio gyvenimas gali atrodyti daug turtingesnis linijiniu (arba transliaciniu) judesiu nei kampiniu (arba sukamuoju) judesiu.

Kaip ir daugelio žmonių suvokimo atveju, šis, kiek tai patiria kiekvienas, yra labai klaidinantis. Dėl to, kaip jūsų jutimai yra struktūros interpretuoti pasaulį, natūralu, kad jūs naršote tame pasaulyjePersiųstiiratgalirteisingaiirpalikoiraukštyniržemyn. Bet ar nesukamasis judesys- tai yra judėjimas apie fiksuotą ašį - nebūtų visatos arba bent jau nebūtų vieno svetingo ar fizikos mėgėjams atpažįstamo.
Gerai, todėl viskas sukasi ir keičiasi apskritai. Kas iš to? Na, didžiausi sukimosi judesio pasirinkimai yra šie: 1) jis turi matematinių analogų pasaulyje

Sukamasis judėjimas reiškia viską, kas sukasi ar juda sukamuoju keliu. Jis taip pat vadinamas kampiniu judesiu arba sukamaisiais judesiais. Judesys gali būti vienodas (t. Y. Greitisvnesikeičia) arba nevienodas, tačiau jis turi būti apskritas.

• Žemės ir kitų aplink Saulę esančių planetų revoliucija gali būti traktuojama kaip apvali, kad būtų paprasčiau, tačiau planetų orbitos iš tikrųjų yra elipsės (šiek tiek ovalios), todėl nėra sukimosi pavyzdys judesio.

Objektas gali suktis, tuo pačiu patirdamas linijinį judėjimą; tiesiog apsvarstykite futbolą, kuris sukasi kaip viršus, nes jis taip pat lanko oru, arba ratą, riedantį gatve. Mokslininkai šias judesių rūšis nagrinėja atskirai, nes joms aiškinti ir paaiškinti reikalingos atskiros lygtys (bet ir vėl griežtai analogiškos).

Iš tikrųjų naudinga turėti specialų matavimų ir skaičiavimų rinkinį, apibūdinantį tų objektų sukimosi judesį, o ne jų vertimo ar judėjimo judesį linijinis judesys, nes dažnai gauni trumpą atnaujinimą tokiuose dalykuose kaip geometrija ir trigonometrija. Dalykai, turintys mokslą, visada yra tvirti rankena.

Nors galutinis rotacinio judesio nepripažinimas gali būti „plokščiasis žemiškumas“, iš tikrųjų yra gana lengva praleisti net tada, kai esi atrodo, galbūt todėl, kad daugelio žmonių protas yra apmokytas lyginti „žiedinį judesį“ su „apskritimu“. Net mažiausias kelio gabalas objektas, sukantis aplink labai tolimą ašį, kuris žvilgsniu atrodytų lygus tiesus, reiškia apskritimą judesio.

Toks judesys yra aplink mus, su tokiais pavyzdžiais kaip rutuliai ir ratai, karuselės, besisukančios planetos ir elegantiškai sukantys ledo čiuožėjai. Judėjimo, kuris gali atrodyti ne kaip sukamasis judėjimas, bet iš tikrųjų, pavyzdžiai yra pjūklai, atidaromos durys ir veržliarakčio pasukimas. Kaip minėta pirmiau, kadangi tokiais atvejais pasisukimo kampai dažnai būna nedideli, lengva to nefiltruoti mintyse kaip kampinį judesį.

Akimirką pagalvokite apie dviratininko judėjimą „fiksuoto“ žemės atžvilgiu. Nors akivaizdu, kad dviračio ratai juda ratu, apsvarstykite, ką reiškia dviratininko kojų tvirtinimas prie pedalų, o klubai lieka nejudantys ant sėdynės.

Tarp jų esantys „svertai“ vykdo sudėtingo sukimosi judesio formą, kai keliai ir kulkšnys atseka skirtingo spindulio nematomus apskritimus. Tuo tarpu „Tour de France“ metu visas paketas per Alpes gali judėti 60 km / h greičiu.

Prieš šimtus metų Isaacas Newtonas, bene labiausiai paveikęs matematikos ir fizikos novatorius istorijoje, sukūrė tris judesio dėsnius, kuriuos jis daugiausia grindė „Galileo“ darbu. Kadangi judėjimą tiriate oficialiai, taip pat galite būti susipažinę su „pagrindinėmis taisyklėmis“, reglamentuojančiomis visą judėjimą ir kas jas atrado.

​Pirmasis Niutono dėsnis, inercijos dėsnis, teigia, kad pastoviu greičiu judantis objektas tai daro ir toliau, nebent jo sutrikdo išorinė jėga.Antrasis Niutono dėsnissiūlo, kad jei grynoji jėgaFveikia masę m, ji tam tikru būdu pagreitins (pakeis šios masės greitį):F= ma​. ​Trečiasis Niutono dėsnisteigia, kad kiekvienai jėgaiFegzistuoja jėga–F, vienodo dydžio, bet priešinga kryptimi, todėl jėgų gamtoje suma lygi nuliui.

Fizikoje bet koks dydis, kurį galima apibūdinti tiesiniais terminais, gali būti apibūdinamas ir kampiniais. Svarbiausi iš jų yra:

​Poslinkis.Paprastai kinematikos problemos apima du linijinius matmenis, kad būtų nurodyta padėtis, x ir y. Sukamasis judėjimas apima dalelę, esančią r atstumu nuo sukimosi ašies, prireikus nurodant kampą, nurodytą nuliui.

​Greitis.Vietoj greičio v m / s greičiu sukamasis judėjimas turi kampinį greitįω(graikų raidė omega) radianais per sekundę (rad / s). Tačiau svarbu, kaddalelė, judanti pastoviu ω, taip pat turi a​ ​tangentinis greitis​ ​v_tstatmena krypčiair​​.Net jei dydis yra pastovus,v_tvisada keičiasi, nes jo vektoriaus kryptis nuolat keičiasi. Jo vertė randama tiesiog išv​_t = ​ωr​.

​Pagreitis.Kampinis pagreitis, parašytasα(Graikų raidė alfa), kai pagrindinės sukimosi judesio problemos dažnai yra nulinės, nesωpaprastai laikomas pastovus. Bet todėlv_t, kaip minėta pirmiau, visada keičiasi, egzistuoja aišcentrinis pagreitis a_cnukreiptas į vidų sukimosi ašies link ir kurio dydis yra

​Jėga.Jėgos, veikiančios apie sukimosi ašį, arba „sukimo“ (sukimo) jėgos, vadinamos sukimo momentais ir yra jėgos F ir jos veikimo atstumo nuo sukimosi ašies sandauga (t. y. ilgiosvirtis​):

Atkreipkite dėmesį, kad sukimo momento vienetai yra Niutono metrai, o „ד čia reiškia vektorinį kryžminį sandaugą, nurodantį, kadτyra statmena plokštumai, kurią sudaroFirr.​

​Mišios.Nors masė, m, lemia sukimosi problemas, ji paprastai įtraukiama į specialų dydį, vadinamą inercijos momentu (arba antruoju ploto momentu)Aš. Sužinosite daugiau apie šį aktorių ir svarbesnį kiekybinį kampinį impulsąL, netrukus.

Kadangi sukamasis judėjimas apima apskritimo takų tyrimą, o ne matuoklius objekto kampiniam poslinkiui apibūdinti, fizikai naudoja radianus arba laipsnius. Radianas yra patogus, nes natūraliai išreiškia kampus π, nes vienas visas apskritimo posūkis(360 laipsnių) yra lygus 2π radianams​.

• Dažniausiai pasitaikantys fizikos kampai yra 30 laipsnių (

π / 6 rad), 45 laipsnių (π / 4 rad), 60 laipsnių (π / 3 rad) ir 90 laipsnių (π / 2 rad).

Galimybė nustatytisukimosi ašisyra labai svarbus suprantant sukimosi judesius ir sprendžiant susijusias problemas. Kartais tai yra nesudėtinga, tačiau apsvarstykite, kas nutiks, kai nusivylęs golfo žaidėjas išsiųs aukštai į orą link ežero link penkis lygintuvus.

Vienas standus kūno kėbulas sukasi stebėtinai įvairiais būdais: galas per galą (kaip gimnastė, atliekanti 360 laipsnių vertikalius sukimus laikydama horizontali juosta), išilgai (pvz., automobilio varančioji ašis) arba sukasi iš centrinio fiksuoto taško (kaip to paties automobilio ratas).

Paprastai objekto judėjimo savybės kinta priklausomai nuo tokaipjis pasukamas. Apsvarstykite cilindrą, kurio pusė pagaminta iš švino, o kita pusė yra tuščiavidurė. Jei sukimosi ašis būtų pasirinkta per ilgąją ašį, masės pasiskirstymas aplink šią ašį būtų simetriškas, nors ir nevienodas, todėl galite įsivaizduoti, kad ji sukasi sklandžiai. Bet kas, jei ašis būtų pasirinkta per sunkųjį galą? Tuščiaviduris galas? Vidurys?

Kaip ką tik sužinojote, sukitetas patsobjektas aplink askirtingisukimosi ašis arba spindulio pakeitimas gali apsunkinti judėjimą. Natūralus šios koncepcijos išplėtimas yra tas, kad panašios formos objektai, turintys skirtingą masės pasiskirstymą, turi skirtingas sukimosi savybes.

Tai užfiksuoja kiekis, vadinamasI inercijos momentas,tai yra matas, kaip sunku pakeisti objekto kampinį greitį. Kalbant apie bendrą poveikį sukamajam judėjimui, ji yra analogiška masei tiesiniame judėjime. Kaip ir periodinės chemijos periodinės lentelės elementų atveju, nėra apgauti ieškoti formulėsAšbet kokiam objektui; patogu staliukas yra šaltiniuose. Betvisiems objektams,​ ​Aš​ ​yra proporcinga abiejų masei​ (​m​) ​ir spindulio kvadratas(r²).

Didžiausias vaidmuoAšskaičiavimo fizikoje yra tai, kad ji siūlo platformą kampiniam impulsui apskaičiuotiL​:

Thekampinio impulso išsaugojimo dėsnissukimosi judesyje yra analogiškas tiesinio impulso išsaugojimo dėsniui ir yra kritinė sukamojo judėjimo sąvoka. Pavyzdžiui, sukimo momentas yra tik kampinio impulso pokyčio greičio pavadinimas. Šis dėsnis teigia, kad bendras impulsas L bet kurioje besisukančių dalelių ar daiktų sistemoje niekada nesikeičia.

Tai paaiškina, kodėl ledo čiuožėja sukasi taip greitai, kaip ji traukia į rankas, ir kodėl ji išskleidžia juos, kad sulėtėtų iki strateginės stotelės. Prisimink taiLyra proporcinga tiek m, tiek r² (nesAšyra irL = Aš​​ω). Kadangi L turi likti pastovi ir m vertė (čiuožėjo masė problemos metu nesikeičia, jei r padidėja, tada galutinis kampinis greitisωturi mažėti ir atvirkščiai.

Jūs jau sužinojote apie centripetalinį pagreitįa_c,ir ten, kur žaidžiamas pagreitis, taip pat yra jėga. Jėga, priverčianti objektą eiti kreivu keliu, yra veikiama aišcentrinė jėga.Klasikinis pavyzdys:įtampa(jėga ilgio vienetui) ant virvelės, laikančios raištinį rutulį, nukreipta į stulpo vidurį ir priverčia rutulį judėti aplink stulpą.

Tai sukelia centripetalinį pagreitį kelio centro link. Kaip minėta aukščiau, net esant pastoviam kampiniam greičiui, objektas pagreitėja centripetaliai, nes linijinio (tangentinio) greičio kryptisv_tnuolat keičiasi.