ไดนามิกและจลนศาสตร์ของการเคลื่อนที่รอบแกนหมุน ความเร็วของการหมุนของโลกรอบแกนของมัน

สารบัญ:

ไดนามิกและจลนศาสตร์ของการเคลื่อนที่รอบแกนหมุน ความเร็วของการหมุนของโลกรอบแกนของมัน
ไดนามิกและจลนศาสตร์ของการเคลื่อนที่รอบแกนหมุน ความเร็วของการหมุนของโลกรอบแกนของมัน
Anonim

การเคลื่อนที่รอบแกนหมุนเป็นหนึ่งในประเภทของการเคลื่อนที่ของวัตถุในธรรมชาติที่พบบ่อยที่สุด ในบทความนี้ เราจะพิจารณาการเคลื่อนไหวประเภทนี้จากมุมมองของไดนามิกและจลนศาสตร์ นอกจากนี้เรายังให้สูตรที่เกี่ยวข้องกับปริมาณทางกายภาพหลัก

เรากำลังพูดถึงการเคลื่อนไหวไหน

การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม
การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม

ในความหมายที่แท้จริง เราจะพูดถึงวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม นั่นคือ การหมุนของพวกมัน ตัวอย่างที่เด่นชัดของการเคลื่อนไหวดังกล่าวคือการหมุนล้อรถหรือจักรยานในขณะที่รถกำลังเคลื่อนที่ การหมุนรอบแกนของนักสเก็ตลีลาแสดงการเล่นพิรูเอตต์ที่ซับซ้อนบนน้ำแข็ง หรือการหมุนของโลกรอบดวงอาทิตย์และรอบแกนของมันเองที่เอียงไปตามระนาบสุริยุปราคา

อย่างที่คุณเห็น องค์ประกอบสำคัญของประเภทการเคลื่อนไหวที่พิจารณาคือแกนของการหมุน แต่ละจุดของร่างกายที่มีรูปร่างตามอำเภอใจจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบๆ ระยะทางจากจุดถึงแกนเรียกว่ารัศมีการหมุน คุณสมบัติหลายอย่างของระบบกลไกทั้งหมดขึ้นอยู่กับค่าของมัน เช่น โมเมนต์ความเฉื่อย ความเร็วเชิงเส้น และอื่นๆ

ไดนามิกการหมุน

พลวัตของการหมุน
พลวัตของการหมุน

หากเหตุผลของการเคลื่อนที่เชิงแปลเชิงเส้นของวัตถุในอวกาศเป็นแรงภายนอกที่กระทำต่อวัตถุ สาเหตุของการเคลื่อนที่รอบแกนของการหมุนก็คือโมเมนต์ของแรงภายนอก ค่านี้อธิบายว่าเป็นผลคูณเวกเตอร์ของแรงที่ใช้ F¯ และเวกเตอร์ระยะห่างจากจุดที่นำไปใช้กับแกน r¯ นั่นคือ:

M¯=[r¯F¯]

การกระทำของโมเมนต์ M¯ ทำให้เกิดความเร่งเชิงมุม α¯ ในระบบ ปริมาณทั้งสองมีความสัมพันธ์กันผ่านสัมประสิทธิ์ I โดยความเท่าเทียมกันต่อไปนี้:

M¯=ฉันα¯

ค่า I เรียกว่า โมเมนต์ความเฉื่อย ขึ้นอยู่กับรูปร่างของร่างกายและการกระจายมวลภายในและระยะห่างจากแกนหมุน สำหรับจุดวัสดุคำนวณโดยสูตร:

I=mr2

หากโมเมนต์ของแรงภายนอกเท่ากับศูนย์ ระบบจะคงโมเมนตัมเชิงมุม L¯ ไว้ นี่คือปริมาณเวกเตอร์อีกอันหนึ่ง ซึ่ง ตามคำจำกัดความ เท่ากับ:

L¯=[r¯p¯]

นี่ p¯ เป็นโมเมนตัมเชิงเส้น

กฎการอนุรักษ์โมเมนต์ L¯ มักจะเขียนดังนี้:

Iω=const

โดยที่ ω คือความเร็วเชิงมุม เธอจะกล่าวถึงต่อไปในบทความ

จลนศาสตร์การหมุน

ซึ่งแตกต่างจากพลวัต ฟิสิกส์หมวดนี้พิจารณาเฉพาะปริมาณที่สำคัญในทางปฏิบัติซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในเวลาของตำแหน่งของร่างกายในช่องว่าง. นั่นคือวัตถุของการศึกษาจลนศาสตร์ของการหมุนคือความเร็ว ความเร่ง และมุมของการหมุน

อันดับแรก มาแนะนำความเร็วเชิงมุมกันก่อน เป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นมุมที่ร่างกายทำการเลี้ยวต่อหน่วยเวลา สูตรสำหรับความเร็วเชิงมุมชั่วขณะคือ:

ω=dθ/dt

ถ้าร่างกายหมุนไปในมุมเท่ากันในช่วงเวลาเดียวกัน การหมุนจะเรียกว่าสม่ำเสมอ สำหรับเขา สูตรสำหรับความเร็วเชิงมุมเฉลี่ยนั้นใช้ได้จริง:

ω=Δθ/Δt

วัด ω ในหน่วยเรเดียนต่อวินาที ซึ่งในระบบ SI จะสัมพันธ์กับหน่วยวินาที (c-1)

ในกรณีของการหมุนไม่สม่ำเสมอ แนวคิดของการเร่งความเร็วเชิงมุม α ถูกนำมาใช้ กำหนดอัตราการเปลี่ยนแปลงในเวลาของค่า ω นั่นคือ:

α=dω/dt=d2θ/dt2

วัด α เป็นเรเดียนต่อตารางวินาที (ใน SI - c-2)

หากลำตัวหมุนด้วยความเร็วสม่ำเสมอในตอนแรก ω0 แล้วเริ่มเพิ่มความเร็วด้วยความเร่งคงที่ α การเคลื่อนไหวดังกล่าวสามารถอธิบายได้ดังนี้ สูตร:

θ=ω0t + αt2/2

ความเท่าเทียมกันนี้ได้มาจากการรวมสมการความเร็วเชิงมุมเมื่อเวลาผ่านไป สูตรสำหรับ θ ให้คุณคำนวณจำนวนรอบที่ระบบจะทำรอบแกนของการหมุนในเวลา t.

ความเร็วเชิงเส้นและเชิงมุม

ความเร็วเชิงเส้นและเชิงมุม
ความเร็วเชิงเส้นและเชิงมุม

เร่งความเร็วกันทั้งคู่เชื่อมต่อกับที่อื่น เมื่อพูดถึงความเร็วของการหมุนรอบแกน อาจหมายถึงทั้งลักษณะเชิงเส้นและเชิงมุม

สมมติว่าจุดวัสดุบางจุดหมุนรอบแกนที่ระยะ r ด้วยความเร็ว ω จากนั้นความเร็วเชิงเส้น v จะเท่ากับ:

v=ωr

ความแตกต่างระหว่างความเร็วเชิงเส้นและความเร็วเชิงมุมนั้นสำคัญ ดังนั้น ω ไม่ได้ขึ้นอยู่กับระยะห่างจากแกนระหว่างการหมุนที่สม่ำเสมอ ในขณะที่ค่าของ v จะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงเมื่อค่า r เพิ่มขึ้น ข้อเท็จจริงอย่างหลังอธิบายว่าทำไม ด้วยรัศมีการหมุนที่เพิ่มขึ้น การรักษาร่างกายให้อยู่ในวิถีวงกลมจึงยากขึ้น (ความเร็วเชิงเส้นของมันและส่งผลให้แรงเฉื่อยเพิ่มขึ้น)

ปัญหาการคำนวณความเร็วของการหมุนรอบแกนโลก

ทุกคนรู้ว่าดาวเคราะห์ของเราในระบบสุริยะมีการเคลื่อนที่แบบหมุนสองประเภท:

  • รอบแกน;
  • รอบดาว

คำนวณความเร็ว ω และ v สำหรับอันแรก

การหมุนของโลกรอบแกนของมัน
การหมุนของโลกรอบแกนของมัน

ความเร็วเชิงมุมกำหนดได้ไม่ยาก ในการทำเช่นนี้ จำไว้ว่าดาวเคราะห์จะทำการปฏิวัติอย่างสมบูรณ์ เท่ากับ 2pi เรเดียน ใน 24 ชั่วโมง (ค่าที่แน่นอนคือ 23 ชั่วโมง 56 นาที 4.1 วินาที) จากนั้นค่าของ ω จะเป็น:

ω=2pi/(243600)=7, 2710-5rad/s

ค่าที่คำนวณได้น้อย ให้เราแสดงให้เห็นว่าค่าสัมบูรณ์ของ ω แตกต่างจากค่า v.

มากน้อยเพียงใด

คำนวณความเร็วเชิงเส้น v สำหรับจุดที่อยู่บนผิวโลกที่ละติจูดของเส้นศูนย์สูตร ตราบเท่าที่โลกเป็นลูกกลม รัศมีเส้นศูนย์สูตรใหญ่กว่าขั้วโลกเล็กน้อย เป็นระยะทาง 6378 กม. จากสูตรสำหรับการเชื่อมต่อของความเร็วทั้งสองเราได้รับ:

v=ωr=7, 2710-56378000 ≈ 464 ม./วินาที

ความเร็วที่ได้คือ 1670 กม./ชม. ซึ่งมากกว่าความเร็วของเสียงในอากาศ (1235 กม./ชม.)

การหมุนของโลกรอบแกนของมันนำไปสู่การปรากฏตัวของกองกำลังที่เรียกว่า Coriolis ซึ่งควรพิจารณาเมื่อทำการบินด้วยขีปนาวุธ นอกจากนี้ยังเป็นสาเหตุของปรากฏการณ์ทางบรรยากาศมากมาย เช่น การเบี่ยงเบนของทิศทางลมการค้าไปทางทิศตะวันตก