--> Îñíîâíîå óðàâíåíèå äèíàìèêè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ. Ôèçèêà 10 êëàññ. Ìÿêèøåâ
ìîé ÞÒÓÁ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!
ìîé ÒÅËÅÃÐÀÌ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!

 


Ñîäåðæàíèå

 

Ãëàâíàÿ >> Ôèçèêà 10 êëàññ. Ìÿêèøåâ

Ãëàâà 6. Äèíàìèêà âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà

 


§ 48. Îñíîâíîå óðàâíåíèå äèíàìèêè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ

    Ïîâòîðèòå îñíîâíûå ïîíÿòèÿ è ñîîòíîøåíèÿ êèíåìàòèêè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà, èçëîæåííûå â § 16 ãëàâû 1.

Óãëîâîå óñêîðåíèå. Ðàíåå ìû ïîëó÷èëè ôîðìóëó, ñâÿçûâàþùóþ ëèíåéíóþ ñêîðîñòü υ, óãëîâóþ ñêîðîñòü ω è ðàäèóñ R îêðóæíîñòè, ïî êîòîðîé äâèæåòñÿ âûáðàííûé ýëåìåíò (ìàòåðèàëüíàÿ òî÷êà) àáñîëþòíî òâ¸ðäîãî òåëà, êîòîðîå, âðàùàåòñÿ îòíîñèòåëüíî íåïîäâèæíîé îñè:

υ = ωR.

ïîñòóïàòåëüíîå äâèæåíèå áóðàâ÷èêà óêàçûâàåò íàïðàâëåíèå âåêòîðà óãëîâîé ñêîðîñòè

Ìû çíàåì, ÷òî ëèíåéíûå ñêîðîñòè è óñêîðåíèÿ òî÷åê òâ¸ðäîãî òåëà ðàçëè÷íû.  òî æå âðåìÿ óãëîâàÿ ñêîðîñòü âñåõ òî÷åê òâ¸ðäîãî òåëà îäèíàêîâà.

Óãëîâàÿ ñêîðîñòü — âåêòîðíàÿ âåëè÷èíà. Íàïðàâëåíèå óãëîâîé ñêîðîñòè îïðåäåëÿåòñÿ ïî ïðàâèëó áóðàâ÷èêà. Åñëè íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ ðó÷êè áóðàâ÷èêà ñîâïàäàåò ñ íàïðàâëåíèåì âðàùåíèÿ òåëà, òî ïîñòóïàòåëüíîå äâèæåíèå áóðàâ÷èêà óêàçûâàåò íàïðàâëåíèå âåêòîðà óãëîâîé ñêîðîñòè (ðèñ. 6.1).

Îäíàêî ðàâíîìåðíîå âðàùàòåëüíîå äâèæåíèå âñòðå÷àåòñÿ äîâîëüíî ðåäêî. Ãîðàçäî ÷àùå ìû èìååì äåëî ñ äâèæåíèåì, ïðè êîòîðîì óãëîâàÿ ñêîðîñòü èçìåíÿåòñÿ, î÷åâèäíî, ýòî ïðîèñõîäèò â íà÷àëå è êîíöå äâèæåíèÿ.

Ïðè÷èíîé èçìåíåíèÿ óãëîâîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ ÿâëÿåòñÿ äåéñòâèå íà òåëî ñèë. Èçìåíåíèå óãëîâîé ñêîðîñòè ñî âðåìåíåì îïðåäåëÿåò óãëîâîå óñêîðåíèå.

Båêòîð óãëîâîé ñêîðîñòè — ýòî ñêîëüçÿùèé âåêòîð. Íåçàâèñèìî îò òî÷êè ïðèëîæåíèÿ åãî íàïðàâëåíèå óêàçûâàåò íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ òåëà, à ìîäóëü îïðåäåëÿåò áûñòðîòó âðàùåíèÿ,

Âàæíî
Ñðåäíåå óãëîâîå óñêîðåíèå ðàâíî îòíîøåíèþ èçìåíåíèÿ óãëîâîé ñêîðîñòè ê ïðîìåæóòêó âðåìåíè, çà êîòîðîå ýòî èçìåíåíèå ïðîèçîøëî:

Ïðè óâåëè÷åíèè óãëîâîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ òåëà óãëîâîå óñêîðåíèå íàïðàâëåíî â òó æå ñòîðîíó, ÷òî è óãëîâàÿ ñêîðîñòü

Ïðè ðàâíîóñêîðåííîì äâèæåíèè óãëîâîå óñêîðåíèå ïîñòîÿííî è ïðè íåïîäâèæíîé îñè âðàùåíèÿ õàðàêòåðèçóåò èçìåíåíèå óãëîâîé ñêîðîñòè ïî ìîäóëþ. Ïðè óâåëè÷åíèè óãëîâîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ òåëà óãëîâîå óñêîðåíèå íàïðàâëåíî â òó æå ñòîðîíó, ÷òî è óãëîâàÿ ñêîðîñòü (ðèñ. 6.2, à), à ïðè óìåíüøåíèè — â ïðîòèâîïîëîæíóþ (ðèñ. 6.2, á).

Òàê êàê óãëîâàÿ ñêîðîñòü ñâÿçàíà ñ ëèíåéíîé ñêîðîñòüþ ñîîòíîøåíèåì υ = ωR, òî èçìåíåíèå ëèíåéíîé ñêîðîñòè çà íåêîòîðûé ïðîìåæóòîê âðåìåíè Δt ðàâíî Δυ =ΔωR. Ðàçäåëèâ ëåâóþ è ïðàâóþ ÷àñòè óðàâíåíèÿ íà Δt, èìååì èëè à = εR, ãäå à — êàñàòåëüíîå (ëèíåéíîå) óñêîðåíèå, íàïðàâëåííîå ïî êàñàòåëüíîé ê òðàåêòîðèè äâèæåíèÿ (îêðóæíîñòè).

Åñëè âðåìÿ èçìåðåíî â ñåêóíäàõ, à óãëîâàÿ ñêîðîñòü — â ðàäèàíàõ â ñåêóíäó, òî îäíà åäèíèöà óãëîâîãî óñêîðåíèÿ ðàâíà 1 ðàä/ñ2 , ò. å. óãëîâîå óñêîðåíèå âûðàæàåòñÿ â ðàäèàíàõ íà ñåêóíäó â êâàäðàòå.

×åì ðàçëè÷àþòñÿ äâà âåêòîðà — âåêòîð ëèíåéíîé ñêîðîñòè è âåêòîð óãëîâîé ñêîðîñòè.

Íåðàâíîìåðíî äâèæóòñÿ ïðè çàïóñêå è îñòàíîâêå ëþáûå âðàùàþùèåñÿ òåëà, íàïðèìåð ðîòîð â ýëåêòðîäâèãàòåëå, äèñê òîêàðíîãî ñòàíêà, êîëåñî àâòîìîáèëÿ ïðè ðàçãîíå è äð.

Îáñóäèòå ñ òîâàðèùåì, ìîæåò ëè óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ íå èçìåíÿòüñÿ, åñëè íà òåëî äåéñòâóþò ñèëû.

Ìîìåíò ñèëû

Ìîìåíò ñèëû. Äëÿ ñîçäàíèÿ âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ âàæíî íå òîëüêî çíà÷åíèå ñèëû, íî òàêæå è òî÷êà å¸ ïðèëîæåíèÿ. Îòâîðèòü äâåðü, îêàçûâàÿ äàâëåíèå îêîëî ïåòåëü, î÷åíü òðóäíî, â òî æå âðåìÿ âû ëåãêî å¸ îòêðîåòå, íàäàâëèâàÿ íà äâåðü êàê ìîæíî äàëüøå îò îñè âðàùåíèÿ, íàïðèìåð íà ðó÷êó. Ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ ñóùåñòâåííî íå òîëüêî çíà÷åíèå ñèëû, íî è ðàññòîÿíèå îò îñè âðàùåíèÿ äî òî÷êè ïðèëîæåíèÿ ñèëû. Êðîìå ýòîãî, âàæíî è íàïðàâëåíèå ïðèëîæåííîé ñèëû. Ìîæíî òÿíóòü êîëåñî ñ î÷åíü áîëüøîé ñèëîé, íî òàê è íå âûçâàòü åãî âðàùåíèÿ.

Çàïîìíè
Ìîìåíò ñèëû — ýòî ôèçè÷åñêàÿ âåëè÷èíà, ðàâíàÿ ïðîèçâåäåíèþ ñèëû íà ïëå÷î:

M = Fd,
ãäå d — ïëå÷î ñèëû, ðàâíîå êðàò÷àéøåìó ðàññòîÿíèþ îò îñè âðàùåíèÿ äî ëèíèè äåéñòâèÿ ñèëû (ðèñ. 6.3).

Î÷åâèäíî, ÷òî ìîìåíò ñèëû ìàêñèìàëåí, åñëè ñèëà ïåðïåíäèêóëÿðíà ðàäèóñ-âåêòîðó, ïðîâåä¸ííîìó îò îñè âðàùåíèÿ äî òî÷êè ïðèëîæåíèÿ ýòîé ñèëû.

Âàæíî
Åñëè íà òåëî äåéñòâóåò íåñêîëüêî ñèë, òî ñóììàðíûé ìîìåíò ðàâåí àëãåáðàè÷åñêîé ñóììå ìîìåíòîâ êàæäîé èç ñèë îòíîñèòåëüíî äàííîé îñè âðàùåíèÿ.

ìîìåíòû ñèë, âûçûâàþùèõ âðàùåíèå òåëà

Ïðè ýòîì ìîìåíòû ñèë, âûçûâàþùèõ âðàùåíèå òåëà ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè, áóäåì ñ÷èòàòü ïîëîæèòåëüíûìè (ñèëà 2), à ìîìåíòû ñèë, âûçûâàþùèõ âðàùåíèå ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå, — îòðèöàòåëüíûìè (ñèëû 1 è 3) (ðèñ. 6.4).

Îñíîâíîå óðàâíåíèå äèíàìèêè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ. Ïîäîáíî òîìó êàê îïûòíûì ïóò¸ì áûëî ïîêàçàíî, ÷òî óñêîðåíèå òåëà ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíî äåéñòâóþùåé íà íåãî ñèëå, áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî óãëîâîå óñêîðåíèå ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíî ìîìåíòó ñèëû:

ε ∼ Ì.

íà ìàòåðèàëüíîþ òî÷êó, äâèæóþùóþñÿ ïî îêðóæíîñòè, äåéñòâóåò ñèëà

Ïóñòü íà ìàòåðèàëüíîþ òî÷êó, äâèæóþùóþñÿ ïî îêðóæíîñòè, äåéñòâóåò ñèëà (ðèñ. 6.5). Ñîãëàñíî âòîðîìó çàêîíó Íüþòîíà â ïðîåêöèè íà êàñàòåëüíîå íàïðàâëåíèå èìååì màê = Fê. Óìíîæèâ ëåâóþ è ïðàâóþ ÷àñòè óðàâíåíèÿ íà r, ïîëó÷èì maêr = Fêr, èëè

mr2ε = Ì. (6.1)

Çàìåòèì, ÷òî â äàííîì ñëó÷àå r — êðàò÷àéøåå ðàññòîÿíèå îò îñè âðàùåíèÿ äî ìàòåðèàëüíîé òî÷êè è ñîîòâåòñòâåííî òî÷êè ïðèëîæåíèÿ ñèëû.

Çàïîìíè
Ïðîèçâåäåíèå ìàññû ìàòåðèàëüíîé òî÷êè íà êâàäðàò ðàññòîÿíèÿ äî îñè âðàùåíèÿ íàçûâàþò ìîìåíòîì èíåðöèè ìàòåðèàëüíîé òî÷êè è îáîçíà÷àþò áóêâîé I.

Òàêèì îáðàçîì, óðàâíåíèå (6.1) ìîæíî çàïèñàòü â âèäå Iε = Ì, îòêóäà

îñíîâíûì óðàâíåíèåì äèíàìèêè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ

Çàïîìíè
Óðàâíåíèå (6.2) íàçûâàþò îñíîâíûì óðàâíåíèåì äèíàìèêè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ.

Óðàâíåíèå (6.2) ñïðàâåäëèâî è äëÿ âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ òâ¸ðäîãî òåëà, èìåþùåãî íåïîäâèæíóþ îñü âðàùåíèÿ, ãäå I — ìîìåíò èíåðöèè òâ¸ðäîãî òåëà, à Ì — ñóììàðíûé ìîìåíò ñèë, äåéñòâóþùèõ íà òåëî.  ýòîé ãëàâå ïðè ðàñ÷¸òå ñóììàðíîãî ìîìåíòà ñèë ìû ðàññìàòðèâàåì òîëüêî ñèëû èëè èõ ïðîåêöèè, ïðèíàäëåæàùèå ïëîñêîñòè, ïåðïåíäèêóëÿðíîé îñè âðàùåíèÿ.

Ïîíàáëþäàéòå, êàê ÷åëîâåê ïðèêëàäûâàåò ñèëó ê êîëåñó, ÷òîáû ðàñêðóòèòü åãî.

Âàæíî
Óãëîâîå óñêîðåíèå, ñ êîòîðûì âðàùàåòñÿ òåëî, ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíî ñóììå ìîìåíòîâ ñèë, äåéñòâóþùèõ íà íåãî, è îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî ìîìåíòó èíåðöèè òåëà îòíîñèòåëüíî äàííîé îñè âðàùåíèÿ.

ñèñòåìà ñîñòîèò èç íàáîðà ìàòåðèàëüíûõ òî÷åê

Åñëè ñèñòåìà ñîñòîèò èç íàáîðà ìàòåðèàëüíûõ òî÷åê (ðèñ. 6.6), òî ìîìåíò èíåðöèè ýòîé ñèñòåìû îòíîñèòåëüíî äàííîé îñè âðàùåíèÿ ÎÎ' ðàâåí ñóììå ìîìåíòîâ èíåðöèè êàæäîé ìàòåðèàëüíîé òî÷êè îòíîñèòåëüíî ýòîé îñè âðàùåíèÿ: I = m1r21 + m2r22 + ... .

Ìîìåíò èíåðöèè òâ¸ðäîãî òåëà ìîæíî âû÷èñëèòü, ðàçäåëèâ òåëî íà ìàëûå îáú¸ìû, êîòîðûå ìîæíî ñ÷èòàòü ìàòåðèàëüíûìè òî÷êàìè, è ïðîñóììèðîâàòü èõ ìîìåíòû èíåðöèè îòíîñèòåëüíî îñè âðàùåíèÿ. Î÷åâèäíî, ÷òî ìîìåíò èíåðöèè çàâèñèò îò ïîëîæåíèÿ îñè âðàùåíèÿ.

Âàæíî
Èç îïðåäåëåíèÿ ìîìåíòà èíåðöèè ñëåäóåò, ÷òî ìîìåíò èíåðöèè õàðàêòåðèçóåò ðàñïðåäåëåíèå ìàññû îòíîñèòåëüíî îñè âðàùåíèÿ.

Ïðèâåä¸ì çíà÷åíèÿ ìîìåíòîâ èíåðöèè äëÿ íåêîòîðûõ àáñîëþòíî òâ¸ðäûõ îäíîðîäíûõ òåë ìàññîé m.

Ìîìåíò èíåðöèè

1. Ìîìåíò èíåðöèè òîíêîãî ïðÿìîãî ñòåðæíÿ äëèíîé l îòíîñèòåëüíî îñè, ïåðïåíäèêóëÿðíîé ê ñòåðæíþ è ïðîõîäÿùåé ÷åðåç åãî ñåðåäèíó (ðèñ. 6.7), ðàâåí:

I = ml2/12.

2. Ìîìåíò èíåðöèè ïðÿìîãî öèëèíäðà (ðèñ. 6.8), èëè äèñêà îòíîñèòåëüíî îñè ÎÎ', ñîâïàäàþùåé ñ ãåîìåòðè÷åñêîé îñüþ öèëèíäðà èëè äèñêà:

I = mR2/2.

3. Ìîìåíò èíåðöèè øàðà ðàäèóñîì R îòíîñèòåëüíî îñè, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç åãî öåíòð:

I = 2 mR2/5.

4. Ìîìåíò èíåðöèè òîíêîãî îáðó÷à ðàäèóñîì R îòíîñèòåëüíî îñè, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç åãî öåíòð:

I = mR2.

Ìîìåíò èíåðöèè ïî ôèçè÷åñêîìó ñìûñëó âî âðàùàòåëüíîì äâèæåíèè èãðàåò ðîëü ìàññû, ò. å. îí õàðàêòåðèçóåò èíåðòíîñòü òåëà ïî îòíîøåíèþ ê âðàùàòåëüíîìó äâèæåíèþ. ×åì áîëüøå ìîìåíò èíåðöèè, òåì ñëîæíåå òåëî çàñòàâèòü âðàùàòüñÿ èëè, íàîáîðîò, îñòàíîâèòü âðàùàþùååñÿ òåëî.

Âîçüìèòå ëþáîå êîëåñî è ðàñêðóòèòå åãî, à çàòåì ïîïûòàéòåñü åãî îñòàíîâèòü. Ïðèêðåïèòå ê îáîäó íåñêîëüêî øàéá èëè äðóãèõ ãðóçèêîâ è ïîâòîðèòå ïåðâûé îïûò. Ñäåëàéòå âûâîä î âëèÿíèè ìîìåíòà èíåðöèè íà èíåðòíîñòü òåëà.

Êëþ÷åâûå ñëîâà äëÿ ïîèñêà èíôîðìàöèè ïî òåìå ïàðàãðàôà.
Ìîìåíò ñèëû. Ìîìåíò èíåðöèè. Âðàùàòåëüíîå äâèæåíèå

Âîïðîñû ê ïàðàãðàôó

    1. ×òî òàêîå ìîìåíò ñèëû? ìîìåíò èíåðöèè òåëà?

    2. Êàêîå òåëî ñëîæíåå çàñòàâèòü âðàùàòüñÿ — äèñê èëè êîëåñî? Ìàññû è ðàäèóñû äèñêà è êîëåñà îäèíàêîâû.

Îáðàçöû çàäàíèé ÅÃÝ

À1. Ìîìåíò èíåðöèè äèñêà ìàññîé 1 êã è äèàìåòðîì 40 ñì ðàâåí

1) 0,16 êã • ì2       2) 0,04 êã • ì2       3) 0,02 êã • ì2       4) 0

À2.Ðàäèóñ äèñêà ðàâåí 10 ñì. Ìîìåíò ñèëû, ðàâíîé 10 Í è ïðèëîæåííîé ê îáîäó äèñêà ïîä óãëîì 150° ê ðàäèóñó, ðàâåí

1) 0,5 Í • ì       2) 0,87 Í • ì       3) 1 Í • ì       4) 0

B3. Óñòàíîâèòå ñîîòâåòñòâèå ìåæäó ôèçè÷åñêèìè âåëè÷èíàìè è ôîðìóëàìè, îïðåäåëÿþùèìè èõ. Ê êàæäîé ïîçèöèè ïåðâîãî ñòîëáöà ïîäáåðèòå íóæíóþ ïîçèöèþ âòîðîãî è çàïèøèòå â òàáëèöó âûáðàííûå öèôðû ïîä ñîîòâåòñòâóþùèìè áóêâàìè.

 

 

Ðåéòèíã@Mail.ru



Ñîäåðæàíèå

!-- Step 2 - Decide on the place where you want to place the video -->
. Âàæíî, ÷òîáû ñêðèïò áûë ïîñëå áëîêà. Íàïðèìåð, ìîæíî ðàçìåñòèòü ïåðåä òåãîì -->