Угловая скорость и угловое ускорение
Движение тела (материальной точки) по окружности с постоянной по модулю скоростью — это движение, при котором тело за любые равные промежутки времени описывает одинаковые дуги окружности. Положение тела на окружности определяется радиусом-вектором , проведенным из центра окружности (рисунок 1.6).
Рисунок 1.6 – Движение материальной точки по окружности.
Модуль радиуса-вектора равен радиусу окружности R. За время Δt тело, двигаясь из точки А в точку B, совершает перемещение Δ , равное хорде АВ, и проходит путь, равный длине дуги l. Радиус-вектор поворачивается на угол Δφ. Угол выражают в радианах.
Скорость движения тела по окружности направлена по касательной к траектории и называется линейной скоростью. Модуль линейной скорости равен отношению длины дуги окружности l к промежутку времени Δt , за который эта дуга пройдена:
(1.13)
Отношение угла поворота радиус-вектора к промежутку времени, за который этот поворот произошел, называется угловой скоростью:
(1.14)
Угловая скорость является скалярной физической величиной и в системе СИ выражается в радианах в секунду .
При равномерном движении по окружности угловая скорость и модуль линейной скорости — величины постоянные: ω = const; υ = const.
Определить положение тела можно, если известен модуль радиуса-вектора и угол φ, который он составляет с осью ОХ (угловая координата).
Пусть в начальный момент времени t0 = 0 угловая координата равна φ0, а в момент времени t она равна φ, тогда угол поворота Δφ радиуса-вектора за время Δt = t - t0 = t равен Δφ = φ - φ0.
Тогда из последнего выражения можно получить кинематическое уравнение движения материальной точки по окружности:
1.15)
Данное уравнение позволяет определить положение тела в любой момент времени t.
Учитывая, что из геометрических соображений Δφ = получаем:
(1.16)
Формула (2,6) отражает связь между линейной и угловой скоростью.
Введем еще две характеристики движения материальной точки по окружности: период вращения Т ичастоту вращения ν.
Промежуток времени Т, в течение которого тело совершает один полный оборот, называется периодом вращения:
(1.17)
где N — число оборотов, совершенных телом за время Δt.
За время Δt = Т тело проходит путь l = 2πR. Следовательно,
(1.18)
Величина ν, обратная периоду, показывающая, сколько оборотов совершает тело за единицу времени, называется частотой вращения:
(1.19)
Следовательно,
(1.20)
При равномерном вращении по окружности модуль скорости движения тела не изменяется по величине, но направление скорости изменяется непрерывно. Следовательно, данное движение происходит с ускорением, которое характеризует быстроту изменения скорости по направлению и называется центростремительным.
Центростремительное ускорение – ускорение тела при его равномерном движении по окружности. Оно направлено всегда к центру окружности, т. е. перпендикулярно мгновенной скорости. Величина центростремительного ускорения находится по формуле
. (1.21)
Используя связь между кинематическими характеристиками при равномерном движении тела по окружности, можно получить удобные соотношения для расчета центростремительного ускорения
. (1.22)
Из двух последних соотношений видно, что в общем случае нельзя однозначно ответить на вопрос: как зависит центростремительное ускорение от радиуса окружности. Все зависит от конкретных условий. Так, например, при движении с постоянной линейной скоростью зависимость обратно пропорциональная, а при движении с постоянной угловой скоростью (частотой или периодом) — прямо пропорциональная.
Дата добавления: 2017-01-08; просмотров: 4499;