Случаи вращательного движения твердого тела. Вращательное движение тела. Закон вращательного движения. Теорема Штейнера. Закон сложения моментов инерции

Вращением твердого тела вокруг неподвижной оси (оси вращения) называется такое его движение, при котором точки тела, лежащие на оси вращения, остаются неподвижными в течение всего времени движения.

Пусть осью вращения является ось , которая может иметь в пространстве любое направление. Одно направление оси принимается за положительное (рис. 28).

Через ось вращения проведем неподвижную плоскость и подвижную , скрепленную с вращающимся телом. Пусть в начальный момент времени обе плоскости совпадают. Тогда в момент времени положение подвижной плоскости и самого вращающегося тела можно определить двугранным углом между плоскостями и соответствующим линейным углом между прямыми, расположенными в этих плоскостях и перпендикулярными оси вращения. Угол называется углом поворота тела .

Положение тела относительно выбранной системы отсчета полностью определяется в любой момент времени, если задано уравнение

где – любая, дважды дифференцируемая функция времени. Это уравнение называют уравнением вращения твердого тела вокруг неподвижной оси .

У тела, совершающего вращение вокруг неподвижной оси, одна степень свободы, так как его положение определяется заданием только одного параметра – угла .

Угол считается положительным, если он откладывается против часовой стрелки, и отрицательным – в противоположном направлении, если смотреть с положительного направления оси . Траектории точек тела при его вращении вокруг неподвижной оси являются окружностями, расположенными в плоскостях, перпендикулярных оси вращения.

Для характеристики вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси введем понятия угловой скорости и углового ускорения. Алгебраической угловой скоростью тела в какой-либо момент времени называют первую производную по времени от угла поворота в этот момент, т.е. . Она является величиной положительной при вращении тела против часовой стрелки, так как угол поворота возрастает с течением времени, и отрицательной – при вращении тела по часовой стрелке, потому что угол поворота при этом убывает.

Модуль угловой скорости обозначают . Тогда

Алгебраическим угловым ускорением тела называют первую производную по времени от алгебраической скорости, т.е. вторую производную от угла поворота . Модуль углового ускорения обозначим , тогда

Если при , то алгебраическая угловая скорость возрастает с течением времени и, следовательно, тело вращается ускоренно в рассматриваемый момент времени в положительную сторону (против часовой стрелки). При и , тело вращается ускоренно в отрицательную сторону. Если при , то имеем замедленное вращение в положительную сторону. При и замедленное вращение совершается в отрицательную сторону.

Поступательным называется такое движение твердого тела, при котором любая прямая, неизменно связанная с этим телом, остается параллельной своему начальному положению.

Теорема. При поступательном движении твердого тела все его точки описывают одинаковые траектории и в каждый данный момент имеют равные по модулю и направлению скорости и ускорения.

Доказательство. Проведем через две точки и, поступательно движущегося тела отрезок
и рассмотрим движение этого отрезка в положении
. При этом точкаописывает траекторию
, а точка– траекторию
(рис. 56).

Учитывая, что отрезок
перемещается параллельно самому себе, и длина его не меняется, можно установить, что траектории точекибудут одинаковы. Значит, первая часть теоремы доказана. Будем определять положение точекивекторным способом относительно неподвижного начала координат. При этом эти радиусы – вектора находятся в зависимости
. Так как. ни длина, ни направление отрезка
не меняется при движении тела, то вектор

. Переходим к определению скоростей по зависимости (24):

, получаем
.

Переходим к определению ускорений по зависимости (26):

, получаем
.

Из доказанной теоремы следует, что поступательное движение тела будет вполне определено, если известно движение только одной какой- нибудь точки. Поэтому изучение поступательного движения твердого тела сводится к изучению движения одной его точки, т.е. к задаче кинематики точки.

Тема 11. Вращательное движение твердого тела

Вращательным называется такое движение твердого тела, при котором две его точки остаются неподвижными за все время движения. При этом прямая, проходящая через эти две неподвижные точки, называется осью вращения .

Каждая точка тела, не лежащая на оси вращения, описывает при таком движении окружность, плоскость которой перпендикулярна к оси вращения, и центр ее лежит на этой оси.

Проводим через ось вращения неподвижную плоскость I и подвижную плоскость II, неизменно связанную с телом и вращающуюся вместе с ним (рис. 57). Положение плоскости II, а соответственно и всего тела, по отношению к плоскости I в пространстве, вполне определятся углом . При вращении тела вокруг осиэтот угол является непрерывной и однозначной функцией времени. Следовательно, зная закон изменения этого угла с течением времени, мы сможем определить положение тела в пространстве:

- закон вращательного движения тела . (43)

При этом будем полагать, что угол отсчитывается от неподвижной плоскости в направлении обратном движению часовой стрелки, если смотреть с положительного конца оси. Так как положение тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, определяется одним параметром, то говорят, что такое тело имеет одну степень свободы.

Угловая скорость

Изменение угла поворота тела с течением времени называется угловой скоростью тела и обозначается
(омега):

.(44)

Угловая скорость так же, как и линейная скорость, есть величина векторная, и этот вектор строят на оси вращения тела. Он направляется вдоль оси вращения в ту сторону, чтобы, смотря с его конца на его начало, видеть вращение тела против хода часовой стрелки (рис. 58). Модуль этого вектора определяется зависимостью (44). Точку приложенияна оси можно выбирать произвольно, так как вектор можно переносить вдоль линии его действия. Если обозначить орт-вектор оси вращения через, то получим векторное выражение угловой скорости:

. (45)

Угловое ускорение

Быстрота изменения угловой скорости тела с течением времени называется угловым ускорением тела и обозначается (эпсилон):

. (46)

Угловое ускорение есть величина векторная, и этот вектор строят на оси вращения тела. Он направляется вдоль оси вращения в ту сторону, чтобы, смотря с его конца на его начало, видеть направление вращение эпсилон против хода часовой стрелки (рис. 58). Модуль этого вектора определяется зависимостью (46). Точку приложенияна оси можно выбирать произвольно, так как вектор можно переносить вдоль линии его действия.

Если обозначить орт-вектор оси вращения через , то получим векторное выражение углового ускорения:

. (47)

Если угловые скорость и ускорения одного знака, то тело вращается ускоренно , а если разного – замедленно . Пример замедленного вращения показан на рис. 58.

Рассмотрим частные случаи вращательного движения.

1. Равномерное вращение:

,
.

,
,
,

,
. (48)

2. Равнопеременное вращение:

.

,
,
,
,
,
,
,
,

,
,
.(49)

Связь линейных и угловых параметров

Рассмотрим движение произвольной точки
вращающегося тела. При этом траектория движения точки будет окружность, радиуса
, расположенная в плоскости перпендикулярной оси вращения (рис. 59,а ).

Допустим, что в момент времени точка находится в положении
. Предположим, что тело вращается в положительном направлении, т.е. в направлении возрастания угла . В момент времени
точка займет положение
. Обозначим дугу
. Следовательно, за промежуток времени
точка прошла путь
. Ее средняя скорость , а при
,
. Но, из рис. 59,б , видно, что
. Тогда. Окончательно получаем

. (50)

Здесь - линейная скорость точки
. Как было получено ранее, эта скорость направлена по касательной к траектории в данной точке, т.е. по касательной к окружности.

Таким образом, модуль линейной (окружной) скорости точки вращающегося тела равен произведению абсолютного значения угловой скорости на расстояние от этой точки до оси вращения.

Теперь свяжем линейные составляющие ускорения точки с угловыми параметрами.

,
. (51)

Модуль касательного ускорения точки твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, равен произведению углового ускорения тела на расстояние от этой точки до оси вращения.

,
. (52)

Модуль нормального ускорения точки твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, равен произведению квадрата угловой скорости тела на расстояние от этой точки до оси вращения.

Тогда выражение для полного ускорения точки принимает вид

. (53)

Направления векторов ,,показаны на рисунке 59,в .

Плоским движением твердого тела называется такое движение, при котором все точки тела перемещаются параллельно некоторой неподвижной плоскости. Примеры такого движения:

Движение любого тела, основание которого скользит по данной неподвижной плоскости;

Качение колеса по прямолинейному участку пути (рельсу).

Получим уравнения плоского движения. Для этого рассмотрим плоскую фигуру, движущуюся в плоскости листа (рис. 60). Отнесем это движение к неподвижной системе координат
, а с самой фигурой свяжем подвижную систему координат
, которая перемещается вместе с ней.

Очевидно, что положение движущейся фигуры на неподвижной плоскости определяется положением подвижных осей
относительно неподвижных осей
. Такое положение определяется положением подвижного начала координат, т.е. координатами,и углом поворота, подвижной системы координат, относительно неподвижной, который будем отсчитывать от осив направлении обратном движению часовой стрелки.

Следовательно, движение плоской фигуры в ее плоскости будет вполне определено, если для каждого момента времени будут известны значения ,,, т.е. уравнения вида:

,
,
. (54)

Уравнения (54) являются уравнениями плоского движения твердого тела, так как если эти функции известны, то для каждого момента времени можно из этих уравнений найти соответственно ,,, т.е. определить положение движущейся фигуры в данный момент времени.

Рассмотрим частные случаи:

1.

, тогда движение тела будет поступательным, так как подвижные оси перемещаются, оставаясь параллельными своему начальному положению.

2.

,

. При таком движении меняется только угол поворота, т.е. тело будет вращаться относительно оси, проходящей перпендикулярно плоскости рисунка через точку.

Разложение движения плоской фигуры на поступательное и вращательное

Рассмотрим два последовательных положения и
, которые занимает тело в моменты времении
(рис. 61). Тело из положенияв положение
можно перенести следующим образом. Перенесем сначала телопоступательно . При этом отрезок
переместится параллельно самому себе в положение
, а затемповернем тело вокруг точки (полюса) на угол
до совпадения точеки.

Следовательно, любое плоское движение можно представить как сумму поступательного движения вместе с выбранным полюсом и вращательного движения , относительно данного полюса.

Рассмотрим методы, с помощью которых можно определить скорости точек тела, совершающего плоское движение.

1. Метод полюса. Этот метод основывается на полученном разложении плоского движения на поступательное и вращательное. Скорость любой точки плоской фигуры можно представить в виде двух составляющих: поступательной, со скоростью равной скорости произвольно выбранной точки – полюса , и вращательной вокруг этого полюса.

Рассмотрим плоское тело (рис. 62). Уравнения движения имеют вид:
,
,
.

Определяем из этих уравнений скорость точки (как при координатном способе задания)

,
,
.

Таким образом, скорость точки - величина известная. Принимаем эту точку за полюс и определим скорость произвольной точки
тела.

Скорость
будет складываться из поступательной составляющей, при движении вместе с точкой, и вращательной
, при вращении точки
относительно точки. Скорость точкиперенесем в точку
параллельно самой себе, так как при поступательном движении скорости всех точек равны как по величине, так и по направлению. Скорость
определится по зависимости (50)
, и направлен этот вектор перпендикулярно радиусу
по направлению вращения
. Вектор
будет направлен по диагонали параллелограмма, построенного на векторахи
, а его модуль определиться зависимостью:

, .(55)

2. Теорема о проекциях скоростей двух точек тела.

Проекции скоростей двух точек твердого тела на прямую, соединяющую эти точки, равны между собой.

Рассмотрим две точки тела и(рис. 63). Принимая точкуза полюс, определим направлениепо зависимости (55):
. Проектируем это векторное равенство на линию
и, учитывая, что
перпендикулярно
, получаем

3. Мгновенный центр скоростей.

Мгновенным центром скоростей (МЦС) называется точка, скорость которой в данный момент времени равна нулю.

Покажем, что если тело движется не поступательно, то такая точка в каждый момент времени существует и притом единственная. Пусть в момент времени точкиитела, лежащие в сечении, имеют скоростии, не параллельные друг другу (рис. 64). Тогда точка
, лежащая на пересечении перпендикуляров к векторами, и будет МЦС, так как
.

Действительно, если допустить, что
, то по теореме (56), вектор
должен быть одновременно перпендикулярен
и
, что невозможно. Из этой же теоремы видно, что никакая другая точка сеченияв этот момент времени не может иметь скорость равную нулю.

Применяя метод полюса
- полюс, определим скорость точки(55):, т.к.
,
. (57)

Аналогичный результат можно получить для любой другой точки тела. Следовательно, скорость любой точки тела равна ее вращательной скорости относительно МЦС:

,
,
, т.е. скорости точек тела пропорциональны их расстояниям до МЦС.

Из рассмотренных трех способов определения скоростей точек плоской фигуры видно, что предпочтительным является МЦС, так как здесь скорость сразу определяется как по модулю, так и по направлению одной составляющей. Однако этот способ можно применять, если нам известен или мы можем определить для тела положение МЦС.

Определение положения МЦС

1. Если нам известны для данного положения тела направления скоростей двух точек тела, то МЦС будет точкой пересечения перпендикуляров к этим векторам скоростей.

2. Скорости двух точек тела антипараллельны (рис. 65,а ). В этом случае перпендикуляр к скоростям будет общим, т.е. МЦС находится где-то на этом перпендикуляре. Чтобы определить положение МЦС, надо соединить концы векторов скоростей. Точка пересечения этой линии с перпендикуляром будет искомым МЦС. При таком случае МЦС находится между этими двумя точками.

3. Скорости двух точек тела параллельны, но не равны по величине (рис.65,б ). Процедура получения МЦС аналогична описанной в пункте 2.

г) Скорости двух точек равны как по величине, так и по направлению (рис.65,в ). Получаем случай мгновенно поступательного движения, при котором скорости всех точек тела равны. Следовательно, угловая скорость тела в данном положении равна нулю:

4. Определим МЦС для колеса, катящегося без скольжения по неподвижной поверхности (рис. 65,г ). Так как движение происходит без скольжения, то в точке контакта колеса с поверхностью скорость будет одинакова и равна нулю, так как поверхность неподвижна. Следовательно, точка контакта колеса с неподвижной поверхностью будет являться МЦС.

Определение ускорений точек плоской фигуры

При определении ускорений точек плоской фигуры прослеживается аналогия с методами определения скоростей.

1. Метод полюса. Так же, как и при определении скоростей, принимаем за полюс произвольную точку тела, ускорение которой нам известно, или мы можем его определить. Тогда ускорение любой точки плоской фигуры равно сумме ускорений полюса и ускорения во вращательном движении вокруг этого полюса:

При этом составляющая
определяет ускорение точкипри ее вращении вокруг полюса. При вращении траектория движения точки будет криволинейной, а значит
(рис. 66).

Тогда зависимость (58) принимает вид
. (59)

Учитывая зависимости (51) и (52), получаем
,
.

2. Мгновенный центр ускорений.

Мгновенным центром ускорений (МЦУ) называется точка, ускорение которой в данный момент времени равно нулю.

Покажем, что в каждый данный момент времени такая точка существует. Принимаем за полюс точку , ускорение которой
нам известно. Находим угол, лежащий в пределах
, и удовлетворяющий условию
. Если
, то
и наоборот, т.е. уголоткладывается по направлению. Отложим от точкипод угломк вектору
отрезок
(рис. 67). Полученная такими построениями точка
будет МЦУ.

Действительно, ускорение точки
равно сумме ускорений
полюсаи ускорения
во вращательном движении вокруг полюса:
.

,
. Тогда
. С другой стороны, ускорение
образует с направлением отрезка
угол
, который удовлетворяет условию
. Знак минус поставлен перед тангенсом угла, так как вращение
относительно полюсапротив хода часовой стрелки, а угол
откладывается по ходу часовой стрелке. Тогда
.

Следовательно,
и тогда
.

Частные случаи определения МЦУ

1.
. Тогда
, и, следовательно, МЦУ не существует. В этом случае тело движется поступательно, т.е. скорости и ускорения всех точек тела равны.

2.
. Тогда
,
. Значит, МЦУ лежит на пересечении линий действия ускорений точек тела (рис.68,а ).

3.
. Тогда,
,
. Значит, МЦУ лежит на пересечении перпендикуляров к ускорениям точек тела (рис.68,б ).

4.
. Тогда
,

. Значит, МЦУ лежит на пересечении лучей, проведенных к ускорениям точек тела под углом(рис.68,в ).

Из рассмотренных частных случаев можно сделать вывод: если принять точку
за полюс, то ускорение любой точки плоской фигуры определится ускорением во вращательном движении вокруг МЦУ:

. (60)

Сложным движением точки называется такое движение, при котором точка одновременно участвует в двух или более движениях. При таком движении положение точки определяют относительно подвижной и относительно неподвижной систем отсчета.

Движение точки относительно подвижной системы отсчета называется относительным движением точки . Параметры относительного движения условимся обозначать
.

Движение той точки подвижной системы отсчета, с которой в данный момент совпадает движущаяся точка относительно неподвижной системы отсчета, называется переносным движением точки . Параметры переносного движения условимся обозначать
.

Движение точки относительно неподвижной системы отсчета называется абсолютным (сложным) движением точки . Параметры абсолютного движения условимся обозначать
.

В качестве примера сложного движения, можно рассмотреть движение человека в движущемся транспорте (трамвай). В этом случае движение человека отнесено к подвижной системе координат – трамваю и к неподвижной системе координат – земле (дороге). Тогда исходя из данных выше определений, движение человека относительно трамвая – относительно, движение вместе с трамваем относительно земли – переносное, а движение человека относительно земли – абсолютное.

Будем определять положение точки
радиусами – векторами относительно подвижной
и неподвижной
систем координат (рис. 69). Введем обозначения:- радиус-вектор, определяющий положение точки
относительно подвижной системы координат
,
;- радиус-вектор, определяющий положение начала подвижной системы координат (точки) (точки);- радиус – вектор, определяющий положение точки
относительно неподвижной системы координат
;
,.

Получим условия (ограничения), соответствующие относительному, переносному и абсолютному движениям.

1. При рассмотрении относительного движения будем считать, что точка
перемещается относительно подвижной системы координат
, а сама подвижная система координат
относительно неподвижной системы координат
не перемещается.

Тогда координаты точки
будут меняться в относительном движении, а орт-вектора подвижной системы координат изменяться по направлению не будут:

,

,

.

2. При рассмотрении переносного движения, будем считать, что координаты точки
по отношению к подвижной системе координат зафиксированы, и точка перемещается вместе с подвижной системой координат
относительно неподвижной
:

,

,

,.

3. При абсолютном движении точка движется и относительно
и вместе с системой координат
относительно неподвижной
:

Тогда выражения для скоростей, с учетом (27), имеют вид

,
,

Сравнивая эти зависимости, получаем выражение для абсолютной скорости:
. (61)

Получили теорему о сложении скоростей точки в сложном движении: абсолютная скорость точки равна геометрической сумме относительной и переносной составляющих скорости.

Используя зависимость (31), получаем выражения для ускорений:

,

Сравнивая эти зависимости, получаем выражение для абсолютного ускорения:
.

Получили, что абсолютное ускорение точки не равно геометрической сумме относительной и переносной составляющих ускорений. Определим составляющую абсолютного ускорения, стоящую в скобках, для частных случаев.

1. Переносное движение точки поступательное
. В этом случае оси подвижной системы координат
перемещаются все время параллельно самим себе, тогда.

,

,

,
,
,
, тогда
. Окончательно получаем

. (62)

Если переносное движение точки поступательное, то абсолютное ускорение точки равно геометрической сумме относительной и переносной составляющей ускорения.

2. Переносное движение точки непоступательное. Значит, в этом случае подвижная система координат
вращается вокруг мгновенной оси вращения с угловой скоростью(рис. 70). Обозначим точку на конце векторачерез. Тогда, используя векторный способ задания (15), получаем вектор скорости этой точки
.

С другой стороны,
. Приравнивая правые части этих векторных равенств, получаем:
. Поступая аналогично, для остальных орт векторов, получаем:
,
.

В общем случае абсолютное ускорение точки равно геометрической сумме относительной и переносной составляющей ускорения плюс удвоенное векторное произведение вектора угловой скорости переносного движения на вектор линейной скорости относительного движения.

Удвоенное векторное произведение вектора угловой скорости переносного движения на вектор линейной скорости относительного движения называется ускорением Кориолиса и обозначается

. (64)

Ускорение Кориолиса характеризует изменение относительной скорости в переносном движении и изменение переносной скорости в относительном движении.

Направляется
по правилу векторного произведения. Вектор ускорения Кориолиса всегда направлен перпендикулярно плоскости, которую образуют вектораи, таким образом, чтобы, смотря с конца вектора
, видеть поворотк, через наименьший угол, против хода часовой стрелки.

Модуль ускорения Кориолиса равен.

В этой статье описывается важный раздел физики - "Кинематика и динамика вращательного движения".

Основные понятия кинематики вращательного движения

Вращательным движением материальной точки вокруг неподвижной оси называют такое движение, траекторией которого является окружность, находящаяся в плоскости перпендикулярной к оси, а центр ее лежит на оси вращения.

Вращательное движение твердого тела - это движение, при котором по концентрическим (центры которых лежат на одной оси) окружностям движутся все точки тела в соответствии с правилом для вращательного движения материальной точки.

Пусть произвольное твердое тело T совершает вращения вокруг оси O, которая перпендикулярна плоскости рисунка. Выберем на данном теле точку M. При вращении эта точка будет описывать вокруг оси O круг радиусом r .

Через некоторое время радиус повернется относительно исходного положения на угол Δφ.

За положительное направление поворота принято направление правого винта (по часовой стрелке). Изменение угла поворота со временем называется уравнением вращательного движения твердого тела:

φ = φ(t).

Если φ измерять в радианах (1 рад - это угол, соответствующий дуге, длиной равной ее радиусу), то длина дуги окружности ΔS, которую пройдет материальная точка M за время Δt, равна:

ΔS = Δφr.

Основные элементы кинематики равномерного вращательного движения

Мерой перемещения материальной точки за небольшой промежуток времени dt служит вектор элементарного поворота dφ .

Угловая скорость материальной точки или тела - это физическая величина, которая определяется отношением вектора элементарного поворота к продолжительности этого поворота. Направление вектора можно определить правилом правого винта вдоль оси О. В скалярном виде:

ω = dφ/dt.

Если ω = dφ/dt = const, то такое движение называется равномерное вращательное движение. При нем угловую скорость определяют по формуле

ω = φ/t.

Согласно предварительной формуле размерность угловой скорости

[ω] = 1 рад/с.

Равномерное вращательное движение тела можно описать периодом вращения. Период вращения T - физическая величина, определяющая время, за которое тело вокруг оси вращения выполняет один полный оборот ([T] = 1 с). Если в формуле для угловой скорости принять t = T, φ = 2 π (полный один оборот радиуса r), то

ω = 2π/T,

поэтому период вращения определим следующим образом:

T = 2π/ω.

Число оборотов, которое за единицу времени совершает тело, называется частотой вращения ν, которая равна:

ν = 1/T.

Единицы измерения частоты: [ν]= 1/c = 1 c -1 = 1 Гц.

Сравнивая формулы для угловой скорости и частоты вращения, получим выражение, связывающее эти величины:

ω = 2πν.

Основные элементы кинематики неравномерного вращательного движения

Неравномерное вращательное движение твердого тела или материальной точки вокруг неподвижной оси характеризует его угловая скорость, которая изменяется со временем.

Вектор ε , характеризующий скорость изменения угловой скорости, называется вектором углового ускорения:

ε = dω/dt.

Если тело вращается, ускоряясь, то есть dω/dt > 0 , вектор имеет направление вдоль оси в ту же сторону, что и ω.

Если вращательное движение замедлено - dω/dt < 0 , то векторы ε и ω противоположно направлены.

Замечание . Когда происходит неравномерное вращательное движение, вектор ω может меняться не только по величине, но и по направлению (при повороте оси вращения).

Связь величин, характеризующих поступательное и вращательное движение

Известно, что длина дуги с углом поворота радиуса и его величиной связана соотношением

ΔS = Δφ r.

Тогда линейная скорость материальной точки, выполняющей вращательное движение

υ = ΔS/Δt = Δφr/Δt = ωr.

Нормальное ускорение материальной точки, что выполняет вращательно поступательное движение, определим следующим образом:

a = υ 2 /r = ω 2 r 2 /r.

Итак, в скалярном виде

a = ω 2 r.

Тангенциальное ускоренной материальной точки, которая выполняет вращательное движение

a = ε r.

Момент импульса материальной точки

Векторное произведение радиуса-вектора траектории материальной точки массой m i на ее импульс называется моментом импульса этой точки касательно оси вращения. Направление вектора можно определить, воспользовавшись правилом правого винта.

Момент импульса материальной точки (L i ) направлен перпендикулярно плоскости, проведенной через r i и υ i , и образует с ними правую тройку векторов (то есть при движении с конца вектора r i к υ i правый винт покажет направление вектора L i).

В скалярной форме

L = m i υ i r i sin(υ i , r i).

Учитывая, что при движении по кругу радиус-вектор и вектор линейной скорости для i-й материальной точки взаимно перпендикулярные,

sin(υ i , r i) = 1.

Так что момент импульса материальной точки для вращательного движения примет вид

L = m i υ i r i .

Момент силы, которая действует на i-ю материальную точку

Векторное произведение радиуса-вектора, который проведен в точку приложения силы, на эту силу называется моментом силы, действующей на i-ю материальную точку относительно оси вращения.

В скалярной форме

M i = r i F i sin(r i , F i).

Считая, что r i sinα = l i , M i = l i F i .

Величина l i , равная длине перпендикуляра, опущенного из точки вращения на направление действия силы, называется плечом силы F i .

Динамика вращательного движения

Уравнение динамики вращательного движения записывается так:

M = dL/dt.

Формулировка закона следующая: скорость изменения момента импульса тела, которое совершает вращение вокруг неподвижной оси, равна результирующему моменту относительно этой оси всех внешних сил, приложенных к телу.

Момент импульса и момент инерции

Известно, что для i-й материальной точки момент импульса в скалярной форме задается формулой

L i = m i υ i r i .

Если вместо линейной скорости подставить ее выражение через угловую:

υ i = ωr i ,

то выражение для момента импульса примет вид

L i = m i r i 2 ω.

Величина I i = m i r i 2 называется моментом инерции относительно оси i-й материальной точки абсолютно твердого тела, проходящей через его центр масс. Тогда момент импульса материальной точки запишем:

L i = I i ω.

Момент импульса абсолютно твердого тела запишем как сумму моментов импульса материальных точек, составляющих данное тело:

L = Iω.

Момент силы и момент инерции

Закон вращательного движения гласит:

M = dL/dt.

Известно, что представить момент импульса тела можно через момент инерции:

L = Iω.

M = Idω/dt.

Учитывая, что угловое ускорение определяется выражением

ε = dω/dt,

получим формулу для момента силы, представленного через момент инерции:

M = Iε.

Замечание. Момент силы считается положительным, если угловое ускорение, которым он вызван, больше нуля, и наоборот.

Теорема Штейнера. Закон сложения моментов инерции

Если ось вращения тела через центр масс его не проходит, то относительно этой оси можно найти его момент инерции по теореме Штейнера:
I = I 0 + ma 2 ,

где I 0 - начальный момент инерции тела; m - масса тела; a - расстояние между осями.

Если система, которая совершает обороты округ неподвижной оси, состоит из n тел, то суммарный момент инерции такого типа системы будет равен сумме моментов, ее составляющих (закон сложения моментов инерции).

Кинематика твердого тела

В отличие от кинематики точки в кинематике твердых тел решаются две основные задачи:

Задание движения и определение кинематических характеристик тела в целом;

Определение кинематических характеристик точек тела.

Способы задания и определения кинематических характеристик зависят от типов движения тел.

В настоящем пособии рассматриваются три типа движения: поступательное, вращательное вокруг неподвижной оси и плоско-параллельное движение твердого тела

Поступательное движение твердого тела

Поступательным называют движение, при котором прямая, проведенная через две точки тела, остается параллельной ее первоначальному положению (рис.2.8).

Доказана теорема: при поступательном движении все точки тела движутся по одинаковым траекториям и имеют в каждой момент времени одинаковые по модулю и направлению скорости и ускорения (рис.2.8).

Вывод: Поступательное движение твердого тела определяется движением любой его точки, в связи с чем, задание и изучение его движения сводится к кинематике точки.

Рис. 2.8 Рис. 2.9

Вращательное движение твердого тела вокруг неподвижной оси.

Вращательным вокруг неподвижной оси называют движение твердого тела, при котором две точки, принадлежащие телу, остаются неподвижными в течение всего времени движения.

Положение тела определяется углом поворота (рис.2.9). Единица измерения угла - радиан. (Радиан - центральный угол окружности, длина дуги которого равна радиусу, полный угол окружности содержит 2 радиана.)

Закон вращательного движения тела вокруг неподвижной оси = (t). Угловую скорость и угловое ускорение тела определим методом дифференцирования

Угловая скорость, рад/с; (2.10)

Угловое ускорение, рад/с 2 (2.11)

При вращательном движении тела вокруг неподвижной оси его точки, не лежащие на оси вращения, движутся по окружностям с центром на оси вращения.

Если рассечь тело плоскостью перпендикулярной оси, выбрать на оси вращения точку С и произвольную точка М, то точка М будет описывать вокруг точки С окружность радиуса R (рис. 2.9). За время dt происходит элементарный поворот на угол, при этом точка М совершит перемещение вдоль траектории на расстояние.Определим модуль линейной скорости:

Ускорение точки М при известной траектории определяется по его составляющим, см.(2.8)

Подставляя в формулы выражение (2.12) получим:

где: - тангенциальное ускорение,

Нормальное ускорение.

Плоско - параллельное движение твердого тела

Плоскопараллельным называется движение твердого тела, при котором все его точки перемещаются в плоскостях, параллельных одной неподвижной плоскости (рис.2.10). Для изучения движения тела достаточно изучить движение одного сечения S этого тела плоскостью, параллельной неподвижной плоскости. Движение сечения S в своей плоскости можно рассматривать как сложное, состоящее из двух элементарных движений: а) поступательного и вращательного; б) вращательного относительно подвижного (мгновенного) центра.

В первом варианте движение сечения может быть задано уравнениями движения одной его точки (полюса) и вращением сечения вокруг полюса (рис.2.11). В качестве полюса может быть принята любая точка сечения.

Рис. 2.10 Рис. 2.11

Уравнения движения запишутся в виде:

Х А = Х А (t)

Y А = Y А (t) (2.14)

А = А (t)

Кинематические характеристики полюса определяют из уравнений его движения.

Скорость любой точки плоской фигуры, движущейся в своей плоскости слагается из скорости полюса (произвольно выбранной в сечении точки А ) и скорости вращательного движения вокруг полюса (вращение точки В вокруг точки А ).

Ускорение точки движущейся плоской фигуры складывается из ускорения полюса относительно неподвижной системы отсчета и ускорения за счет вращательного движения вокруг полюса.

Во втором варианте движение сечения рассматривается как вращательное вокруг подвижного (мгновенного) центра P (рис.1.12). В этом случае скорость любой точки В сечения будет определяться по формуле для вращательного движения

Угловая скорость вокруг мгновенного центра Р может быть определена если известна скорость какой либо точки сечения, например точки А.

Рис.2.12

Положение мгновенного центра вращения может быть определено на основании следующих свойств:

Вектор скорости точки перпендикулярен радиусу;

Модуль скорости точки пропорционален расстоянию от точки до центра вращения (V= R ) ;

Скорость в центре вращения равна нулю.

Рассмотрим некоторые случаи определения положения мгновенного центра.

1. Известны направления скоростей двух точек плоской фигуры (рис.2.13). Проведем линии радиусов. Мгновенный центр вращения Р находится на пересечении перпендикуляров, проведенных к векторам скоростей.

2. Скорости точек А и В известны, причем вектора и параллельны друг другу, а линия АВ перпендикулярна (рис. 2. 14). В этом случае мгновенный центр вращения лежит на линии АВ . Для его нахождения проведем линию пропорциональности скоростей на основании зависимости V= R .

3. Тело катится без скольжения по неподвижной поверхности другого тела (рис.2.15). Точка касания тел в данный момент имеет нулевую скорость в то время, как скорости других точек тела не равны нулю. Точка касания Р будет мгновенным центром вращения.

Рис. 2.13 Рис. 2.14 Рис. 2.15

Кроме рассмотренных вариантов скорость точки сечения может быть определена на основании теоремы о проекциях скоростей двух точек твердого тела.

Теорема: проекции скоростей двух точек твердого тела на прямую, проведенную через эти точки, равны между собой и одинаково направлены .

Доказательство: расстояние АВ изменяться не может, следовательно,

V А cos не может быть больше или меньше V В cos (рис.2.16).

Рис. 2.16

Вывод: V А cos =V В cos. (2.19)

Сложное движение точки

В предыдущих параграфах рассматривалось движение точки относительно неподвижной системы отсчета, так называемое абсолютное движение. В практике встречаются задачи, в которых известно движение точки относительно системы координат, которая движется относительно неподвижной системы. При этом требуется определить кинематические характеристики точки относительно неподвижной системы.

Принято называть: движение точки относительно подвижной системы - относительным , движение точки вместе с подвижной системой - переносным , движение точки относительно неподвижной системы - абсолютным . Соответственно называют скорости и ускорения:

Относительные;- переносные; -абсолютные.

Согласно теореме о сложении скоростей абсолютная скорость точки равна векторной сумме относительной и переносной скоростей (рис.).

Абсолютное значение скорости определяется по теореме косинусов

Рис.2.17

Ускорение по правилу параллелограмма определяется только при поступательном переносном движении

При непоступательном переносном движении появляется третья составляющая ускорения, называемое поворотным или кориолисовым.

Кориолисово ускорение численно равно

где - угол между векторами и

Направление вектора кориолисова ускорения удобно определять по правилу Н.Е. Жуковского: вектор спроектировать на плоскость, перпендикулярную оси переносного вращения, проекцию повернуть на 90 градусов в сторону переносного вращения. Полученное направление будет соответствовать направлению кориолисова ускорения.

Вопросы для самоконтроля по разделу

1. В чем состоят основные задачи кинематики? Назовите кинематические характеристики.

2. Назовите способы задания движения точки и определение кинематических характеристик.

3. Дайте определение поступательного, вращательного вокруг неподвижной оси, плоскопараллельного движения тела.

4. Как задается движение твердого тела при поступательном, вращательном вокруг неподвижной оси и плоскопараллельном движении тела и как определяется скорость и ускорение точки при этих движениях тела?

В природе и технике мы часто сталкиваемся с проявлением вращательного движения твердых тел, например, валов и шестерен. Как в физике описывают этот тип движения, какие формулы и уравнения для этого применяются, эти и другие вопросы освещаются в данной статье.

Что такое вращение?

Каждый из нас интуитивно представляет, о каком движении пойдет речь. Вращение - это процесс, при котором тело или материальная точка движется по круговой траектории вокруг некоторой оси. С геометрической точки зрения твердого тела - это прямая, расстояние до которой в процессе перемещения остается неизменным. Это расстояние называют радиусом вращения. Далее будем обозначать его буквой r. Если ось вращения проходит через центр масс тела, то ее называют собственной осью. Примером вращения вокруг собственной оси является соответствующее движение планет Солнечной системы.

Чтобы вращение происходило, должно существовать центростремительное ускорение, которое возникает за счет центростремительной силы. Эта сила направлена от центра масс тела к оси вращения. Природа центростремительной силы может быть самой разной. Так, в космическом масштабе ее роль выполняет гравитация, если тело закреплено нитью, то сила натяжения последней будет центростремительной. Когда тело вращается вокруг собственной оси, роль центростремительной силы играет внутреннее электрохимическое взаимодействие между составляющими тело элементами (молекулами, атомами).

Необходимо понимать, что без присутствия центростремительной силы тело будет двигаться прямолинейно.

Описывающие вращение физические величины

Во-первых, это динамические характеристики. К ним относятся:

• момент импульса L;
• момент инерции I;
• момент силы M.

Во-вторых, это кинематические характеристики. Перечислим их:

• угол поворота θ;
• скорость угловая ω;
• ускорение угловое α.

Кратко опишем каждую из названных величин.

Момент импульса определяется по формуле:

Где p - линейный импульс, m - масса материальной точки, v - ее линейная скорость.

Момент инерции материальной точки рассчитывается с помощью выражения:

Для любого тела сложной формы величина I рассчитывается, как интегральная сумма моментов инерции материальных точек.

Момент силы M вычисляется так:

Здесь F - внешняя сила, d - расстояние от точки ее приложения до оси вращения.

Физический смысл всех величин, в названии которых присутствует слово "момент", аналогично смыслу соответствующих линейных величин. Например, момент силы показывает возможность приложенной силы сообщить системе вращающихся тел.

Кинематические характеристики математически определяются следующими формулами:

Как видно из этих выражений, угловые характеристики аналогичны по своему смыслу линейным (скорости v и ускорению a), только они применимы для круговой траектории.

Динамика вращения

В физике изучение вращательного движения твердого тела осуществляется с помощью двух разделов механики: динамики и кинематики. Начнем с динамики.

Динамика изучает внешние силы, действующие на систему вращающихся тел. Сразу запишем уравнение вращательного движения твердого тела, а затем, разберем его составные части. Итак, это уравнение имеет вид:

Который действует на систему, обладающую моментом инерции I, вызывает появление углового ускорения α. Чем меньше величина I, тем легче с помощью определенного момента M раскрутить систему до больших скоростей за малые промежутки времени. Например, металлический стержень легче вращать вдоль его оси, чем перпендикулярно ей. Однако, тот же стержень легче вращать вокруг оси, перпендикулярной ему, и проходящей через центр масс, чем через его конец.

Закон сохранения величины L

Выше была введена эта величина, она называется моментом импульса. Уравнение вращательного движения твердого тела, представленное в предыдущем пункте, часто записывают в иной форме:

Если момент внешних сил M действует на систему в течение времени dt, то он вызывает изменение момента импульса системы на величину dL. Соответственно, если момент сил равен нулю, тогда L = const. Это и есть закон сохранения величины L. Для нее, используя связь между линейной и угловой скоростью, можно записать:

L = m*v*r = m*ω*r 2 = I*ω.

Таким образом, при отсутствии момента сил произведение угловой скорости и момента инерции является постоянной величиной. Этот физический закон используют фигуристы в своих выступлениях или искусственные спутники, которые необходимо повернуть вокруг собственной оси в открытом космосе.

Центростремительное ускорение

Выше, при изучении вращательного движения твердого тела, уже была описана эта величина. Также была отмечена природа центростремительных сил. Здесь лишь дополним эту информацию и приведем соответствующие формулы для расчета этого ускорения. Обозначим его a c .

Поскольку центростремительная сила направлена перпендикулярно оси и проходит через нее, то момента она не создает. То есть эта сила не оказывает совершенно никакого влияния на кинематические характеристики вращения. Тем не менее, она создает центростремительное ускорение. Приведем две формулы для его определения:

Таким образом, чем больше угловая скорость и радиус, тем большую силу следует приложить, чтобы удержать тело на круговой траектории. Ярким примером этого физического процесса является занос автомобиля во время поворота. Занос возникает, если центростремительная сила, роль которой играет сила трения, становится меньше, чем центробежная сила (инерционная характеристика).

Три основные кинематические характеристики были перечислены выше в статье. твердого тела формулами следующими описывается:

θ = ω*t => ω = const., α = 0;

θ = ω 0 *t + α*t 2 /2 => ω = ω 0 + α*t, α = const.

В первой строке приведены формулы для равномерного вращения, которое предполагает отсутствие внешнего момента сил, действующего на систему. Во второй строке записаны формулы для равноускоренного движения по окружности.

Отметим, что вращение может происходить не только с положительным ускорением, но и с отрицательным. В этом случае в формулах второй строки следует перед вторым слагаемым поставить знак минус.

Пример решения задачи

На металлический вал в течение 10 секунд действовал момент силы 1000 Н*м. Зная, что момент инерции вала равен 50 кг*м 2 , необходимо определить угловую скорость, которую придал валу упомянутый момент силы.

Применяя основное уравнение вращения, вычислим ускорение вала:

Поскольку это угловое ускорение действовало на вал в течение времени t = 10 секунд, то для вычисления угловой скорости применяем формулу равноускоренного движения:

ω = ω 0 + α*t = M/I*t.

Здесь ω 0 = 0 (вал не вращался до действия момента сил M).

Подставляем в равенство численные значения величин, получаем:

ω = 1000/50*10 = 200 рад/с.

Чтобы это число перевести в привычные обороты в секунду, необходимо его поделить на 2*pi. Выполнив это действие, получаем, что вал будет вращаться с частотой 31,8 об./с.