ฟิสิกส์ของวัตถุแข็งคือการศึกษาการเคลื่อนไหวประเภทต่างๆ สิ่งสำคัญคือการเคลื่อนที่และการหมุนตามแกนคงที่ นอกจากนี้ยังมีชุดค่าผสม: ฟรี, แบน, โค้ง, เร่งสม่ำเสมอและพันธุ์อื่น ๆ การเคลื่อนไหวแต่ละครั้งมีลักษณะเฉพาะของตัวเอง แต่แน่นอนว่ามีความคล้ายคลึงกันระหว่างพวกเขา พิจารณาว่าการเคลื่อนไหวแบบใดที่เรียกว่าการหมุน และยกตัวอย่างของการเคลื่อนไหวดังกล่าว โดยเปรียบเทียบกับการเคลื่อนไหวแบบแปลน
กฎของกลไกในการดำเนินการ
เมื่อมองแวบแรก ดูเหมือนว่าการเคลื่อนที่แบบหมุน ตัวอย่างที่เราสังเกตในกิจกรรมประจำวันจะละเมิดกฎของกลไก สิ่งที่สามารถสงสัยในการละเมิดนี้และกฎหมายอะไรได้บ้าง
เช่น กฎความเฉื่อย ร่างกายใดๆ เมื่อแรงที่ไม่สมดุลไม่กระทำกับมัน จะต้องหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงสม่ำเสมอ แต่ถ้าคุณผลักลูกโลกไปด้านข้าง ลูกโลกจะเริ่มหมุน และมันน่าจะหมุนไปตลอดกาลถ้าไม่ใช่เพราะเสียดสี เช่นเดียวกับตัวอย่างที่ดีของการเคลื่อนที่แบบหมุน โลกหมุนอยู่ตลอดเวลา ไม่มีใครสังเกตเห็น ปรากฎว่ากฎข้อที่หนึ่งของนิวตันใช้ไม่ได้ในกรณีนี้? ไม่ใช่.
สิ่งที่เคลื่อนไหว: จุดหรือร่างกาย
การเคลื่อนที่แบบหมุนจะแตกต่างจากการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า แต่ก็มีอะไรที่เหมือนกันมากระหว่างกัน ควรเปรียบเทียบและเปรียบเทียบประเภทเหล่านี้ พิจารณาตัวอย่างการเคลื่อนที่แบบแปลนและแบบหมุน ในการเริ่มต้น เราควรแยกความแตกต่างระหว่างกลไกของตัววัสดุและกลไกของจุดวัสดุอย่างเคร่งครัด จำคำจำกัดความของการเคลื่อนไหวการแปล นี่คือการเคลื่อนไหวของร่างกายซึ่งแต่ละจุดเคลื่อนที่ในลักษณะเดียวกัน ซึ่งหมายความว่าทุกจุดของร่างกายในแต่ละช่วงเวลามีความเร็วเท่ากันทั้งในด้านขนาดและทิศทาง และอธิบายวิถีเดียวกัน ดังนั้นการเคลื่อนที่เชิงแปลของวัตถุถือได้ว่าเป็นการเคลื่อนที่ของจุดหนึ่งหรือให้เรียกว่าการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์กลางมวล หากร่างอื่นไม่กระทำต่อร่างกายดังกล่าว (จุดวัตถุ) แสดงว่าร่างกายหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ
เปรียบเทียบสูตรการคำนวณ
ตัวอย่างการเคลื่อนที่แบบหมุนของวัตถุ (ลูกโลก, วงล้อ) แสดงว่าการหมุนของวัตถุมีลักษณะเฉพาะด้วยความเร็วเชิงมุม มันบ่งบอกว่ามันจะหมุนมุมไหนต่อหน่วยเวลา ในทางวิศวกรรม ความเร็วเชิงมุมมักแสดงเป็นรอบต่อนาที หากความเร็วเชิงมุมคงที่ เราก็สามารถพูดได้ว่าร่างกายหมุนอย่างสม่ำเสมอ เมื่อไหร่ความเร็วเชิงมุมเพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอจากนั้นเรียกว่าการหมุนด้วยความเร่งอย่างสม่ำเสมอ ความคล้ายคลึงกันของกฎการเคลื่อนที่ของการแปลและการเคลื่อนที่แบบหมุนมีความสำคัญมาก เฉพาะการกำหนดตัวอักษรที่แตกต่างกัน และสูตรการคำนวณเหมือนกัน เห็นได้ชัดเจนในตาราง
| เคลื่อนที่ไปข้างหน้า | การเคลื่อนที่แบบหมุน | |
|
ความเร็วv เส้นทาง s เวลา t อัตราเร่ง a |
ความเร็วเชิงมุม ω การกระจัดเชิงมุม φ เวลา t ความเร่งเชิงมุม ą |
|
| s=vt | φ=ωt | |
|
v=at S=at2 / 2 |
ω=ąt φ=ąt2 / 2 |
งานทั้งหมดในจลนศาสตร์ของการเคลื่อนที่เชิงแปลและการหมุนจะได้รับการแก้ไขในทำนองเดียวกันโดยใช้สูตรเหล่านี้
บทบาทของแรงยึดเกาะ
มาดูตัวอย่างการเคลื่อนที่แบบหมุนในวิชาฟิสิกส์กัน มาดูการเคลื่อนที่ของจุดวัสดุหนึ่งจุด - ลูกบอลโลหะหนักจากตลับลูกปืนกัน เป็นไปได้ไหมที่จะเคลื่อนที่เป็นวงกลม? หากคุณผลักลูกบอลก็จะกลิ้งเป็นเส้นตรง คุณสามารถขับลูกบอลไปรอบ ๆ เส้นรอบวงรองรับได้ตลอดเวลา แต่มีเพียงคนเอามือออก และเขาจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงต่อไป จากนี้ไปสรุปได้ว่าจุดสามารถเคลื่อนที่เป็นวงกลมได้ภายใต้แรงกระทำเท่านั้น
นี่คือการเคลื่อนที่ของจุดวัตถุ แต่ในร่างที่แข็งแรงไม่มีหนึ่งจุด แต่เป็นชุด พวกเขาเชื่อมต่อกันเนื่องจากกองกำลังที่เหนียวแน่นกระทำต่อพวกเขา มันคือแรงเหล่านี้ที่ยึดจุดต่างๆไว้ในวงโคจรเป็นวงกลม ในกรณีที่ไม่มีแรงยึดเหนี่ยว จุดวัสดุของวัตถุที่หมุนได้จะแยกออกจากกันเหมือนสิ่งสกปรกที่หลุดออกจากวงล้อหมุน
ความเร็วเชิงเส้นและเชิงมุม
ตัวอย่างการเคลื่อนที่แบบหมุนเหล่านี้ทำให้เราสามารถวาดเส้นขนานระหว่างการเคลื่อนที่แบบหมุนและแบบแปลนได้ ระหว่างการเคลื่อนที่แบบแปลน ทุกจุดของร่างกายจะเคลื่อนที่ ณ จุดหนึ่งในช่วงเวลาหนึ่งด้วยความเร็วเชิงเส้นเท่ากัน เมื่อวัตถุหมุน ทุกจุดจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเชิงมุมเท่ากัน ในการเคลื่อนที่แบบหมุน ตัวอย่างคือซี่ล้อของล้อหมุน ความเร็วเชิงมุมของทุกจุดของซี่ล้อหมุนจะเท่ากัน แต่ความเร็วเชิงเส้นจะต่างกัน
ไม่นับความเร่ง
จำได้ว่าในการเคลื่อนที่สม่ำเสมอของจุดในวงกลม มีความเร่งเสมอ ความเร่งดังกล่าวเรียกว่าศูนย์กลาง มันแสดงให้เห็นเพียงการเปลี่ยนแปลงในทิศทางของความเร็ว แต่ไม่ได้แสดงลักษณะการเปลี่ยนแปลงในโมดูลความเร็ว ดังนั้น เราสามารถพูดถึงการเคลื่อนที่แบบหมุนสม่ำเสมอด้วยความเร็วเชิงมุมหนึ่ง ในทางวิศวกรรมด้วยการหมุนของมู่เล่หรือโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอ ความเร็วเชิงมุมถือว่าคงที่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจำนวนคงที่เท่านั้นที่สามารถให้แรงดันคงที่ในเครือข่าย และจำนวนรอบของมู่เล่นี้รับประกันการทำงานที่ราบรื่นและประหยัดของเครื่อง จากนั้นการเคลื่อนที่แบบหมุน ตัวอย่างที่ให้ไว้ข้างต้น จะแสดงลักษณะเฉพาะด้วยความเร็วเชิงมุมเท่านั้น โดยไม่คำนึงถึงความเร่งสู่ศูนย์กลาง
แรงและโมเมนต์
มีความคล้ายคลึงกันระหว่างการเคลื่อนที่แบบแปลนและการหมุน - ไดนามิก ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน ความเร่งที่วัตถุได้รับหมายถึงการแบ่งตัวของแรงที่กระทำโดยมวลของร่างกาย ในระหว่างการหมุน การเปลี่ยนแปลงของความเร็วเชิงมุมจะขึ้นอยู่กับแรง แท้จริงแล้ว เมื่อขันน็อต การหมุนของแรงจะมีบทบาทชี้ขาด ไม่ใช่ที่ที่บังคับใช้: กับน็อตหรือที่จับประแจ ดังนั้น ตัวบ่งชี้ของแรงในสูตรการเคลื่อนที่เชิงแปลระหว่างการหมุนของร่างกายจึงสอดคล้องกับตัวบ่งชี้โมเมนต์ของแรง มองเห็นได้ในรูปของตาราง
| เคลื่อนที่ไปข้างหน้า | การเคลื่อนที่แบบหมุน |
| พลัง F |
โมเมนต์แรง M=Fl โดยที่ l - ไหล่แข็ง |
| งาน A=Fs | งาน A=Mφ |
| กำลัง N=Fs/t=Fv | กำลัง N=Mφ/t=Mω |
มวลร่างกาย รูปร่าง และโมเมนต์ความเฉื่อย
ตารางด้านบนไม่ได้เปรียบเทียบตามสูตรของกฎข้อที่สองของนิวตัน เนื่องจากต้องมีคำอธิบายเพิ่มเติม สูตรนี้มีตัวบ่งชี้มวลซึ่งแสดงระดับความเฉื่อยของร่างกาย เมื่อวัตถุหมุนรอบตัว ความเฉื่อยไม่ได้ถูกกำหนดโดยมวลของมัน แต่ถูกกำหนดโดยปริมาณเช่นโมเมนต์ความเฉื่อย ตัวบ่งชี้นี้ขึ้นอยู่กับน้ำหนักตัวโดยตรงไม่มากเท่ากับรูปร่าง นั่นคือการกระจายมวลของร่างกายในอวกาศมีความสำคัญอย่างไร ร่างกายของรูปทรงต่างๆจะมีค่าโมเมนต์ความเฉื่อยต่างกัน
เมื่อวัตถุหมุนรอบวงกลม โมเมนต์ความเฉื่อยจะเท่ากับผลคูณของมวลของวัตถุที่หมุนและกำลังสองของรัศมีของแกนหมุน หากจุดเคลื่อนที่ห่างจากแกนหมุนเป็นสองเท่า โมเมนต์ความเฉื่อยและความเสถียรของการหมุนจะเพิ่มขึ้นสี่เท่า นั่นเป็นสาเหตุที่ทำให้มู่เล่มีขนาดใหญ่ แต่ก็ยังเป็นไปไม่ได้ที่จะเพิ่มรัศมีของล้อมากเกินไป เนื่องจากในกรณีนี้ความเร่งสู่ศูนย์กลางของจุดบนขอบล้อจะเพิ่มขึ้น แรงยึดเหนี่ยวของโมเลกุลที่สร้างความเร่งนี้อาจไม่เพียงพอที่จะทำให้พวกมันอยู่ในเส้นทางวงกลม และวงล้อจะยุบตัว
การเปรียบเทียบขั้นสุดท้าย
เมื่อวาดเส้นขนานระหว่างการเคลื่อนที่แบบหมุนและการเคลื่อนที่แบบแปลน ควรเข้าใจว่าระหว่างการหมุน บทบาทของมวลกายจะเล่นโดยโมเมนต์ความเฉื่อย จากนั้นกฎไดนามิกของการเคลื่อนที่แบบหมุนซึ่งสอดคล้องกับกฎข้อที่สองของนิวตันจะบอกว่าโมเมนต์ของแรงเท่ากับผลคูณของโมเมนต์ความเฉื่อยและความเร่งเชิงมุม
ตอนนี้คุณสามารถเปรียบเทียบสูตรทั้งหมดของสมการพื้นฐานของไดนามิก โมเมนตัม และพลังงานจลน์ในการเคลื่อนที่เชิงแปลและการหมุน ซึ่งได้ทราบตัวอย่างการคำนวณแล้ว
| เคลื่อนที่ไปข้างหน้า | การเคลื่อนที่แบบหมุน |
|
สมการพื้นฐานของพลศาสตร์ F=มa |
สมการพื้นฐานของพลศาสตร์ M=ฉันą |
|
แรงกระตุ้น p=มv |
แรงกระตุ้น p=ฉันω |
|
พลังงานจลน์ Ek=mv2 / 2 |
พลังงานจลน์ Ek=Iω2 / 2 |
การเคลื่อนไหวแบบก้าวหน้าและแบบหมุนมีหลายอย่างเหมือนกัน จำเป็นต้องเข้าใจว่าปริมาณทางกายภาพทำงานอย่างไรในแต่ละประเภทเหล่านี้ ในการแก้ปัญหาจะใช้สูตรที่คล้ายกันมากซึ่งเปรียบเทียบไว้ด้านบน
