Твёрдое тело, вращающееся вокруг некоторых осей, проходящих через центр масс, если оно освобождено от внешних воздействий, сохраняет вращение неопределённо долго . (Это заключение аналогично первому закону Ньютона для поступательного движения).

Возникновение вращения твёрдого тела всегда вызывается действием внешних сил, приложенных к отдельным точкам тела. При этом неизбежно возникновение деформаций и появление внутренних сил, обеспечивающих в случае твёрдого тела практическое сохранение его формы. При прекращении действия внешних сил вращение сохраняется: внутренние силы не могут ни вызвать, ни уничтожить вращение твёрдого тела.

Результатом действия внешней силы на тело, имеющее неподвижную ось вращения, является ускоренное вращательное движение тела . (Это заключение аналогично второму закону Ньютона для поступательного движения).

Основной закон динамики вращательного движения : в инерциальной системе отсчёта угловое ускорение , приобретаемое телом, вращающимся относительно неподвижной оси, пропорционально суммарному моменту всех внешних сил , действующих на тело, и обратно пропорционально моменту инерции тела относительно данной оси:

Можно дать и более простую формулировку основному закону динамики вращательного движения (его ещё называют вторым законом Ньютона для вращательного движения ): вращающий момент равен произведению момента инерции на угловое ускорение :

Моментом импульса (моментом количества движения , угловым моментом ) тела называется произведение его момента инерции на угловую скорость :

Момент импульса – векторная величина. Его направление совпадает с направлением вектора угловой скорости.

Изменение момента импульса определяется следующим образом:

. (I.112)

Изменение момента импульса (при неизменном моменте инерции тела) может произойти, только вследствие изменения угловой скорости и всегда обусловлено действием момента силы .

Согласно формуле , а также формулам (I.110) и (I.112) изменение момента импульса можно представить в виде:

. (I.113)

Произведение в формуле (I.113) называется импульсом момента силы или движущим моментом . Он равен изменению момента импульса.

Формула (I.113) справедлива при условии, что момент силы не меняется с течением времени . Если же момент силы зависит от времени, т.е. , то

. (I.114)

Формула (I.114) показывает, что: изменение момента импульса равно интегралу по времени от момента силы . Кроме того, если эту формулу представить в виде: , то из неё будет следовать определение момента силы : мгновенный момент силы представляет собой первую производную момента импульса по времени ,

Основной закон динамики вращательного движения : в инерциальной системе отсчёта угловое ускорение, приобретаемое телом, вращающимся относительно неподвижной оси, пропорционально суммарному моменту всех внешних сил, действующих на тело, и обратно пропорционально моменту инерции тела относительно данной оси:

Момент импульса – векторная величина. Его направление совпадает с направлением вектора угловой скорости.

Изменение момента импульса определяется следующим образом:

Согласно формуле, а также формулам (I.110) и (I.112) изменение момента импульса можно представить в виде:

Формула (I.113) справедлива при условии, что момент силы не меняется с течением времени. Если же момент силы зависит от времени, т.е. , то

Выражение (I.115) является ещё одной формой основного уравнения (закона ) динамики вращательного движения твёрдого тела относительно неподвижной оси: производная момента импульса твёрдого тела относительно оси равна моменту сил относительно той же оси .

В замкнутой системе момент внешних сил и, следовательно:

Формула (I.116) представляет собой закон сохранения момента импульса: векторная сумма всех моментов импульса относительно любой оси для замкнутой системы остается постоянной в случае равновесия системы. В соответствии с этим, момент импульса замкнутой системы относительно любой неподвижной точки не изменяется со временем Закон сохранения момента импульса – фундаментальный закон природы .

Обратите внимание: полный момент импульса системы равен векторной сумме моментов импульса отдельных частей системы.

Применение второго закона Ньютона для вращательного движения

Согласно второму закону Ньютона, ускорение тела под действием силы пропорционально величине силы и обратно пропорционально массе объекта:

Зададимся вопросом, действует ли второй закон Ньютона для вращательного движения?

Используя аналоги характеристик поступательного и вращательного движений второй закон Ньютона для вращательного движения будет иметь вид:

роль ускорения а выполняет угловое ускорение α;
роль силы F — момент силы М;
массу m — заменяет момент инерции I.

Допустим, что тело движется по окружности под действием приложенной по касательной к окружности тангенциальной силой, которая приводит к увеличение тангенциальной скорости мячика, не путать с нормальной силой, направленной вдоль радиуса окружности вращения (подробно тангенциальная и нормальная скорость рассмотрена на странице «Параметры вращательного движения»).

Умножим обе части равенства, описывающего второй закон Ньютона, на радиус окружности r:

Таким образом, мы совершили переход от второго закона Ньютона для поступательного движения к его аналогу для движения вращательного. Следует отметить, что данная формула справедлива только для материальной точки, для протяженного объекта необходимо использовать другие формулы, которые будут рассмотрены позже.

Чтобы завершить переход от описания поступательного движения к вращательному, используем связь между угловым ускорением α и тангенциальным ускорением а:

Совершаем подставку одной формулы в другую и получаем:

Полученная формула связывает момент силы, действующей на материальную точку, и ее углового ускорения. Связь осуществляется через коэффициент пропорциональности m·r 2 , который называют моментом инерции материальной точки и обозначают I (измеряется в кг·м 2).

В итоге, мы получили эквивалент второго закона Ньютона для вращательного движения:

В том случае, если на тело действует одновременно несколько сил, второй закон Ньютона принимает следующий вид:

ΣF — векторная сумма всех сил, которые действуют на объект.

В случае, если на объект действуют одновременно несколько моментов сил, второй закон Ньютона примет вид:

ΣМ — векторная сумма всех моментов сил, которые действуют на объект.

prosto-o-slognom.ru

1.Напишите основное уравнение динамики вращательного движения (2ой закон Ньютона для вращательного движения).

Это выражение носит название основного уравнения динамики вращательного движения и формулируется следующим образом: изменение момента количества движения твердого тела, равно импульсу момента всех внешних сил, действующих на это тело.

2.Чему равен момент силы? (формула в векторном и скалярном виде, рисунки).

Момент силы (синонимы: крутящий момент; вращательный момент; вращающий момент ) - физическая величина, характеризующая вращательное действие силы на твёрдое тело.

Момент силы – векторная величина (М?)

(векторный вид) М?= |r?*F?|,r– расстояние от оси вращения, до точки приложения силы.

(вроде как скалярный вид) |М|=|F|*d

Вектор момента силы – совпадает с осью О 1 О 2 , его направление определяется првилом правого винта.Момент силы измеряется в ньютон-метрах . 1 Н м - момент силы, который производит сила 1 Н на рычаг длиной 1 м.

3.Что называется вектором: поворота, угловой скорости, углового ускорения. Куда они направлены, как определить это направление на практике?

Векторы – это псевдовекторы или аксиальные векторы, не имеющие определённую точку приложения: они откладываются на оси вращения из любой её точки.

Угловое перемещение — это псевдовектор, модуль которого равен углу поворота, а направление совпадает с осью, вокруг которой тело поворачивается, и определяется правилом правого винта: вектор направлен в ту сторону, откуда поворот тела виден против хода часовой стрелки(измеряется в радианах)

Угловая скорость — величина, характеризующая быстроту вращения твёрдого тела, равная отношению элементарного угла поворота и прошедшего времени dt, за который прошёл этот поворот.

Вектор угловой скорости направлен вдоль оси вращения по правилу правого винта, так же, как и вектор.

Угловое ускорение — величина, характеризующая быстроту перемещения угловой скорости.

Вектор направлен вдоль оси вращения в сторону вектора при ускоренном вращении и противоположно вектору при замедленном вращении.

4.Чем полярный вектор отличается от аксиального?

Полярный вектор обладает полюсом, а аксиальный — нет.

5.Что называется моментом инерции материальной точки, твердого тела?

Момент инерции — величина, характеризующая меру инерции материальной точки при её вращательном движении вокруг оси. Численно она равна произведению массы на квадрат радиуса (расстояния до оси вращения). Для твердого тела момент инерции равен сумме моментов инерции её частей, и поэтому может быть выражена в интегральной форме:

6.От каких параметров зависит момент инерции твердого тела?

От геометрических размеров

От выбора оси вращения

7.Теорема Штейнера (поясняющий рисунок).

Теорема: момент инерции тела относительно произвольной оси равен сумме момента инерции этого тела относительно параллельной ей оси, проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела на квадрат расстояния между осями:

— искомый момент инерции относительно параллельной оси

— известный момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс тела

— расстояние между указанными осями

8. Момент инерции шара, цилиндра, стержня, диска.

Моментом инерции м.т. относительно полюса называют скалярную величину, равную произведению массы этой. точки на квадрат расстояния до полюса..

Момент инерции м.т. можно найти по формуле

где m — масса м.т., R — расстояние до полюса 0.

Единицей измерения момента инерции в СИ является килограмм умноженный на метр в квадрате (кг?м 2).

1.Прямой тонкий стержень длины l и массыm

1) Ось перпендикулярна к стержню и проходит через его центр масс

2)Ось перпендикулярна к стержню и проходит через его конец

2.Шар радиуса r и массыm

Ось проходит через центр шара

3.Полый тонкостенный цилиндр или кольцо радиуса r и массыm

4.Сплошной цилиндр или диск радиуса r и массыm

5.Сплошной цилиндр длины l , радиусаr и массыm

Ось перпендикулярна к цилиндру и проходит через его центр масс

9.Как определить направление момента силы?

Момент силы относительно некоторой точки - это векторное произведение силы накратчайшее расстояние от этой точки до линии действия силы.

M - момент силы (Ньютон · метр),F - Приложенная сила (Ньютон),r - расстояние от центра вращения до места приложения силы (метр),l - длина перпендикуляра, опущенного из центра вращения на линию действия силы (метр),? - угол, между вектором силыF и вектором положенияr

Момент силы - аксиальный вектор . Он направлен вдоль оси вращения. Направление вектора момента силы определяется правилом буравчика, а величина его равнаM .

10.Как складываются момент сил, угловые скорости, моменты импульса?

Если на тело, которое может вращаться вокруг какой-либо точки, действует одновременно несколько сил, то для сложения моментов этих сил следует использовать правило сложения моментов сил.

Правило сложения моментов сил гласит - Результирующий вектор момента силы равен геометрической сумме составляющих векторов моментов с

Для правила сложения моментов сил различают два случая

1. Моменты сил лежат в одной плоскости, оси вращения параллельны . Их сумма определяется путем алгебраического сложения. Правовинтовые моменты входят в сумму со знаком минус . Левовинтовые - со знаком плюс

2. Моменты сил лежат в разных плоскостях, оси вращения не параллельны . Сумма моментов определяется путем геометрического сложения векторов.

Углова?я ско?рость(рад/с) - физическая величина, являющаяся аксиальным вектором и характеризующая скорость вращения материальной точки вокруг центра вращения. Вектор угловой скорости по величине равен углу поворота точки вокруг центра вращения в единицу времени

направлен по оси вращения согласно правилу буравчика, то есть, в ту сторону, в которую ввинчивался бы буравчик с правой резьбой, если бы вращался в ту же сторону.

Угловые скорости откладываются на оси вращения и могут складываться в том сллучае если они направлены в одну сторону, в противоположную — вычитаются

В Международной системе единиц (СИ) импульс измеряется в килограмм-метр в секунду (кг·м/с).

Моме?нт и?мпульса характеризует количество вращательного движения. Величина, зависящая от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение.

Если имеется материальная точка массой, двигающаяся со скоростью и находящаяся в точке, описываемой радиус-вектором, то момент импульса вычисляется по формуле:

где - знак векторного произведения

11.Сформулируйте закон сохранения полной механической энергии применительно к телу, вращающемуся вокруг неподвижной оси.

потенциальная энергия максимальна в начальной точке движения маятника. Потенциальная энергия MgH переходит в кинетическую, которая максимальна в момент приземления маятника на землю.

Iо-момент инерции относительно оси для одного грузика (их у нас 4)

I= 4Iо=4ml^2 (Io=ml^2)

12.Сформулируйте закон сохранения полной механической энергии применительно к телу, вращающемуся вокруг неподвижной оси.

Момент импульса вращающегося тела прямо пропорционален скорости вращения тела, его массе и линейной протяженности. Чем выше любая из этих величин, тем выше момент импульса.

В математическом представлении момент импульса L тела, вращающегося с угловой скоростью? , равенL = I? , где величинаI , называемаямоментом инерции

скорость вращения маятника многократно возрастает вследствие уменьшения момента инерции при сохранении момента вращения. Тут мы и убеждаемся наглядно, что чем меньше момент инерции I , тем выше угловая скорость? и, как следствие, короче период вращения, обратно пропорциональный ей.

Момент импульса вращающегося тела

где – масса тела; – скорость; – радиус орбиты, по которой перемещается тело; – момент инерции; – угловая скорость вращающегося тела.

Закон сохранения момента импульса:

– для вращательного движения

13.Каким выражением определяется работа момента сил

В системе СИ работа измеряется в Джоулях, момент силы в Ньютон* метр, а УГОЛ в радианах

Обычно известна угловая скорость в радианах в секунду и время действия МОМЕНТА.

Тогда совершенная МОМЕНТОМ силы РАБОТА рассчитывается как:

14.Получите формулу, определяющую мощность, развиваемую моментом сил.

Если сила совершает действие на каком-либо расстоянии, то она совершает механическую работ. Также если момент силы совершает действие через угловое расстояние, он совершает работу.

В системе CИ мощность измеряется в Ваттах, момент силы в ньютон-метрах, а УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ в радианах в секунду.

Конечно, положение одной, даже «особой», точки далеко не полностью описывает движение всей рассматриваемой системы тел, но все-таки лучше знать положение хотя бы одной точки, чем не знать ничего. Тем не менее рассмотрим применение законов Ньютона к описанию вращения твердого тела вокруг фиксированной оси 1 .

Начнем с простейшего случая: пусть материальная точка массы m прикреплена с помощью невесомого жесткого стержня длиной r к неподвижной оси ОО / (рис. 106).

Материальная точка может двигаться вокруг оси, оставаясь от нее на постоянном расстоянии, следовательно, ее траектория будет являться окружностью с центром на оси вращения.

Безусловно, движение точки подчиняется уравнению второго закона Ньютона

Однако непосредственное применение этого уравнения не оправдано: во-первых, точка обладает одной степенью свободы, поэтому в качестве единственной координаты удобно использовать угол поворота, а не две декартовые координаты; во-вторых, на рассматриваемую систему действуют силы реакции в оси вращения, а непосредственно на материальную точку − сила натяжения стержня. Нахождение этих сил представляет собой отдельную проблему, решение которой излишне для описания вращения. Поэтому имеет смысл получить на основании законов Ньютона специальное уравнение, непосредственно описывающее вращательное движение.

Пусть в некоторый момент времени на материальную точку действует некоторая сила F , лежащая в плоскости, перпендикулярной оси вращения (рис. 107).

При кинематическом описании криволинейного движения вектор полного ускорения а удобно разложить на две составляющие − нормальную а n , направленную к оси вращения, и тангенциальную а τ , направленную параллельно вектору скорости. Значение нормального ускорения для определения закона движения нам не нужно. Конечно, это ускорение также обусловлено действующими силами, одна из которых − неизвестная сила натяжения стержня.

Запишем уравнение второго закона в проекции на тангенциальное направление:

Заметим, что сила реакции стержня не входит в это уравнение, так как она направлена вдоль стержня и перпендикулярна выбранной проекции. Изменение угла поворота φ непосредственно определяется угловой скоростью

изменение которой, в свою очередь, описывается угловым ускорением

Угловое ускорение связано с тангенциальной составляющей ускорения соотношением

Если подставим это выражение в уравнение (1), то получим уравнение, пригодное для определения углового ускорения. Удобно ввести новую физическую величину, определяющую взаимодействие тел при их повороте. Для этого умножим обе части уравнения (1) на r :

Рассмотрим выражение в его правой части F τ r , имеющее смысл

произведения тангенциальной составляющей силы на расстояние от оси вращения до точки приложения силы. Это же произведение можно представить в несколько иной форме (рис. 108):

здесь d − расстояние от оси вращения до линии действия силы, которое также называют плечом силы.

Эта физическая величина − произведение модуля силы на расстояние от линии действия силы до оси вращения (плечо силы) М = Fd − называется моментом силы. Действие силы может приводить к вращению как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. В соответствии с выбранным положительным направлением вращения следует определять и знак момента силы. Заметьте, что момент силы определяется той составляющей силы, которая перпендикулярна радиус-вектору точки приложения. Составляющая вектора силы, направленная вдоль отрезка, соединяющего точку приложения и ось вращения, не приводит к раскручиванию тела. Эта составляющая при закрепленной оси компенсируется силой реакции в оси, поэтому не влияет на вращение тела.

Запишем еще одно полезное выражения для момента силы. Пусть сила F приложена к точке А , декартовые координаты которой равны х , у (рис. 109).

Разложим силу F на две составляющие F х , F у , параллельные соответствующим осям координат. Момент силы F относительно оси, проходящей через начало координат, очевидно равен сумме моментов составляющих F х , F у , то есть

Аналогично, тому, как нами было введено понятие вектора угловой скоро¬сти, можно определить также и понятие вектора момента силы. Модуль этого вектора соответствует данному выше определению, направлен же он перпендикулярно плоскости, содержащей вектор силы и отрезок, соединяющий точку приложения силы с осью вращения (рис. 110).

Вектор момента силы также может быть определен как векторное произведение радиус-вектора точки приложения силы на вектор силы

Заметим, что при смещении точки приложения силы вдоль линии ее действия момент силы не изменяется.

Обозначим произведение массы материальной точки на квадрат расстояния до оси вращения

(эта величина называется моментом инерции материальной точки относительно оси). С использованием этих обозначений уравнение (2) приобретает вид, формально совпадающий с уравнением второго закона Ньютона для поступательного движения:

Это уравнение называется основным уравнением динамики вращательного движения. Итак, момент силы во вращательном движении играет такую же роль, как и сила в поступательном движении, − именно он определяет изменение угловой скорости. Оказывается (и это подтверждает наш повседневный опыт), влияние силы на скорость вращения определяет не только величина силы, но и точка его приложения. Момент инерции определяет инерционные свойства тела по отношению к вращению (говоря простым языком − показывает, легко ли раскрутить тело): чем дальше от оси вращения находится материальная точка, тем труднее привести ее во вращение.

Уравнение (3) допускает обобщение на случай вращения произвольного тела. При вращении тела вокруг фиксированной оси угловые ускорения всех точек тела одинаковы. Поэтому аналогично тому, как мы проделали при выводе уравнения Ньютона для поступательного движения тела, можно записать уравнения (3) для всех точек вращающегося тела и затем их просуммировать. В результате мы получим уравнение, внешне совпадающее с (3), в котором I − момент инерции всего тела, равный сумме моментов составляющих его материальных точек, M − сумма моментов внешних сил, действующих на тело.

Покажем, каким образом вычисляется момент инерции тела. Важно подчеркнуть, что момент инерции тела зависит не только от массы, формы и размеров тела, но и от положения и ориентации оси вращения. Формально процедура расчета сводится к разбиению тела на малые части, которые можно считать материальными точками (рис. 111),

и суммированию моментов инерции этих материальных точек, которые равны произведению массы на квадрат расстояния до оси вращения:

Для тел простой формы такие суммы давно подсчитаны, поэтому часто достаточно вспомнить (или найти в справочнике) соответствующую формулу для нужного момента инерции. В качестве примера: момент инерции кругового однородного цилиндра, массы m и радиуса R , для оси вращения, совпадающей с осью цилиндра равен:

1 В данном случае мы ограничиваемся рассмотрением вращения вокруг фиксированной оси, потому что описание произвольного вращательного движения тела представляет собой сложную математическую проблему, далеко выходящую за рамки курса математики средней школы. Знания же других физических законов, кроме рассматриваемых нами, это описание не требует.

Закон ньютона для вращательного движения

Систематизация физических величин приводит к тому, что второй закон Ньютона не следует ограничивать рамками прямолинейной формы движения, а распространить его на все механические формы движения, а также следует уточнить терминологию, касающуюся величин, описывающих этот закон в обобщенной форме записи.

1. Второй закон Ньютона при прямолинейной форме движения.

Второй закон Ньютона декларируется как уравнение динамики при неравномерном движении в механической прямолинейной форме движения и приводится в учебниках по физике обычно в двух формах записи:

2. Второй закон Ньютона при вращательной форме движения.

При неравномерном вращении тела запись второго закона Ньютона, аналогичная уравнению (3), должна выглядеть так:

3. Второй закон Ньютона при орбитальной форме движения.

Орбитальная форма движения, как показано в статье о формам движения, состоит в общем случае из 4-х простых форм движения (двух прямолинейных и двух вращательных). В статье, посвященной ускорениям при орбитальной форме движения, выведены уравнения для определения ускорений в каждой из этих 4-х форм движения. Поэтому второй закон Ньютона можно записать для каждой из них в виде уравнений (3) или (4).

F Iτ – касательная сила инерции, противодействующая изменению касательной скорости; m – масса тела, движущегося по круговой орбите.

4. Обобщенный второй закон Ньютона.

Все три уравнения (3, 4, 5) имеют, как и следовало ожидать, одинаковую структуру, в которой учитывается только одно обобщенное противодействие инертности U I , описанное на странице, посвященной обобщенным параметрам форм движения. На этом основании можно вывести обобщенную запись второго уравнения Ньютона в виде:

5. Размерности и единицы линейной и вращательной инертностей.

В СИ для инертной массы применяют единицу килограмм, так как в СИ придерживаются нерелевантного принципа эквивалентности масс. В системе величин ЭСВП линейная инертность I имеет размерность EL -2 T 2 и единицу Дж м -2 с 2 . В статье, посвященной принципу эквивалентности масс, показано, что масса во втором законе Ньютона и масса в законе всемирного тяготения должны иметь разные размерности и единицы.

www.physicalsystems.org

Второй закон Ньютона для вращательного движения

Продифференцировав момент импульса по времени, получим основное уравнение динамики вращательного движения, известное как второй закон Ньютона для вращательного движения, формулируемый следующим образом: скорость изменения момента импульса L тела, вращающегося вокруг неподвижной точки, равна результирующему моменту всех внешних сил M , приложенных к телу, относительно этой точки:

Так как момент импульса вращающегося тела прямо пропорционален угловой скорости ? вращения, а производная d ?/dt есть угловое ускорение ? , то это уравнение может быть представлено в виде

где J – момент инерции тела.

Уравнения (14) и (15), описывающие вращательное движение тела, по своему содержанию аналогичны второму закону Ньютона для поступательного движения тел (m a = F ). Как видно, при вращательном движении в качестве силы F используется момент силы M , в качестве ускорения a – угловое ускорение ? , а роль массы m , характеризующей инерционные свойства тела, играет момент инерции J .

Момент инерции твердого тела определяет пространственное распределение массы тела и является мерой инертности тела при вращательном движении. Для материальной точки, или элементарной массы?m i , вращающейся вокруг оси, введено понятие момента инерции, который представляет собой скалярную величину, численно равную произведению массы на квадрат расстояния r i до оси:

Момент же инерции объемного твердого тела есть сумма моментов инерции составляющих его элементарных масс:

Д ля однородного тела с равномерно распределенной плотностью? = ?m i /?V i (?V i – элементарный объем) можно записать:

или, в интегральной форме (интеграл берется по всему объему):

Использование уравнения (19) позволяет рассчитать моменты инерции однородных тел различной формы относительно любых осей. Наиболее простой результат, однако, получается при расчете моментов инерции однородных симметричных тел относительно их геометрического центра, который в данном случае является центром масс. Рассчитанные таким образом моменты инерции некоторых тел правильной геометрической формы относительно осей, проходящих через центры масс, приведены в таблице 1.

Момент инерции тела относительно любой оси можно найти, зная собственный момент инерции тела, т.е. момент инерции относительно оси, проходящей через его центр масс, используя теорему Штейнера. Согласно ей момент инерции J относительно произвольной оси равен сумме момента инерции J 0 относительно оси, проходящей через центр масс тела параллельно рассматриваемой оси, и произведения массы тела m на квадрат расстояния r между осями:

Ось, при вращении тела вокруг которой, не возникает момент силы, стремящийся изменить положение оси в пространстве, называется свободной осью данного тела. У тела любой формы существуют три взаимно перпендикулярные свободные оси, проходящие через его центр масс, которые называются главными осями инерции тела. Собственные моменты инерции тела относительно главных осей инерции называются главными моментами инерции.

Моменты инерции некоторых однородных тел (с массой m ) правильной геометрической формы относительно осей, проходящих через центры масс

Расположение оси (указано стрелкой)

Обруч радиуса r

Диск радиуса r при толщине, пренебрежимо малой по сравнению с радиусом

Сплошной цилиндр радиуса r с высотой l

Полый цилиндр с внутренним радиусом r и толщиной стенок d

Тонкий стержень длиной l

Прямоугольный параллелепипед со сторонами a , b и c

Куб с длиной ребра a

Описание установки и принципа измерений:

Установка, используемая в настоящей работе для изучения основных закономерностей динамики вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси, называется маятником Обербека. Общий вид установки показан на рисунке 4.

О сновным элементом установки, осуществляющим вращательное движение вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка, является крестовина1 , состоящая из четырех ввинченных в шкив 2 под прямым углом друг к другу стержней (спиц), на каждый из которых надет свободно перемещаемый вдоль стержня цилиндрический груз 3 массой, закрепляемый в нужном положении винтом4 . Вдоль всей длины спиц с сантиметровым интервалом нанесены поперечные нарезки, с помощью которых можно легко отсчитать расстояния от центра расположения грузов до оси вращения. Перемещением грузов достигается изменение момента инерции J всей крестовины.

Вращение крестовины происходит под действием силы натяжения (силы упругости) нити 5 , закрепленной одним своим концом в каком-либо одном из двух шкивов (6 , или 7 ), на который при вращении крестовины она наматывается. Другой конец нити с прикрепленным к нему грузом P 0 8 переменной массы m 0 перекидывается через неподвижный блок 9 , который меняет направление вращающей силы натяжения, совпадающей с касательной к соответствующему шкиву. Использование одного из двух шкивов, различающихся радиусами, позволяет изменять плечо вращающей силы, а, следовательно, и ее момент M .

Проверка различных закономерностей вращательного движения в данной работе сводится к измерению времени t опускания груза с высоты h .

Для определения высоты опускания груза на маятнике Обербека служит миллиметровая шкала 10 , прикрепленная к вертикальной стойке 11 . Величина h соответствует расстоянию между рисками, одна из которых нанесена на верхнем подвижном кронштейне 12 , а другая – на нижнем кронштейне 13 , укрепленном неподвижно в стойке 11 . Подвижный кронштейн можно, перемещая вдоль стойки, фиксировать в любом нужном положении, задавая высоту опускания груза.

Автоматическое измерение времени опускания груза осуществляется с помощью электронного миллисекундомера, цифровая шкала которого 14 расположена на передней панели, и двух фотоэлектрических датчиков, один из которых 15 закреплен на верхнем кронштейне, а другой 16 – на нижнем неподвижном кронштейне. Датчик 15 подает сигнал запуска электронного секундомера при начале движения груза от его верхнего положения, а датчик 16 при достижении грузом нижнего положения подает сигнал, который останавливает секундомер, фиксируя время t прохождения грузом расстояния h , и одновременно включает расположенный за шкивами 6 и 7 тормозной электромагнит, останавливающий вращение крестовины.

Упрощенная схема маятника представлена на рисунке 5.

На грузP 0 действуют постоянные силы: сила тяжести mg и сила натяжения нити T , под действием которых груз движется вниз равноускоренно с ускорением a . Шкив радиуса r 0 под действием силы натяжения нити T вращается с угловым ускорением?, при этом тангенциальное ускорение a t крайних точек шкива будет равно ускорению a опускающегося груза. Ускорения a и? связаны соотношением:

Если время опускания груза P 0 обозначить через t , а пройденный им путь через h , то по закону равноускоренного движения при начальной скорости, равной 0, ускорение a может быть найдено из соотношения:

Измерив штангенциркулем диаметр d 0 соответствующего шкива, на который намотана нить, и вычислив его радиус r o , из (21) и (22) можно рассчитать угловое ускорение вращения крестовины:

Когда привязанный к нити груз опускается, двигаясь равноускоренно, нить разматывается и приводит маховик в равноускоренное вращательное движение. Сила, вызывающая вращение тела, есть сила натяжения нити. Ее можно определить из следующих соображений. Поскольку, согласно второму закону Ньютона, произведение массы движущегося тела на его ускорение равно сумме действующих на тело сил, то в данном случае на подвешенное на нити и опускающееся с равномерным ускорением a тело массой m 0 действуют две силы: вес тела m 0 g , направленный вниз, и сила натяжения нити T , направленная вверх. Поэтому имеет место соотношение:

Следовательно, вращающий момент будет равен:

Если пренебречь силой трения диска об ось крестовины, то можно считать, что на крестовину действует только момент M силы натяжения нити T . Поэтому, воспользовавшись вторым законом Ньютона для вращательного движения (13), можно рассчитать момент инерции J крестовины с вращающимися на ней грузами с учетом (16) и (19) по формуле:

или, подставляя выражение для a (15):

Полученное уравнение (28) является точным. В то же время, проделав опыты по определению ускорения движения груза P 0 , можно убедиться, что a << g , и поэтому в (27) значение (g – a ), пренебрегая величиной a , можно принять равным g . Тогда выражение (27) примет вид:

Если величины m 0 , r 0 и h в ходе проведения опытов не меняются, то между моментом инерции крестовины и временем опускания груза имеется простая квадратичная зависимость:

где K = m 0 r 0 2 g /2h . Таким образом, измерив время t опускания груза массой m 0 , и зная высоту его опускания h , можно рассчитать момент инерции крестовины, состоящей из спиц, шкива, в котором они закреплены, и грузов, находящихся на крестовине. Формула (30) позволяет проверить основные закономерности динамики вращательного движения.

Если момент инерции тела постоянен, то разные вращающие моменты М 1 и М 2 сообщат телу разные угловые ускорения? 1 и? 2 , т.е. будем иметь:

Сравнивая эти выражения, получаем:

С другой стороны, один и тот же вращающий момент сообщит телам с разными моментами инерции различные угловые ускорения. Действительно,

Порядок выполнения работы:

Задание 1 . Определение момента инерции крестовины и проверка зависимости углового ускорения от момента вращающей силы.

Задание выполняется с крестовиной без надетых на нее грузов.

Выберите и установите высоту h опускания груза m 0 путем перемещения верхнего подвижного кронштейна 12 (высота h может быть задана преподавателем). Значение h занесите в таблицу 2.

Измерьте штангенциркулем диаметр выбранного шкива и найдите его радиус r 0 . Значение r 0 занесите в таблицу 2.

Выбрав наименьшее значение массы m 0 , равное массе подставки, на которую надеваются дополнительные грузы, намотайте нить на выбранный шкив так, чтобы груз m 0 был поднят на высоту h . Измерьте три раза время t 0 опускания этого груза. Данные запишите в таблицу 2.

Повторите предыдущий опыт, для различных (от трех до пяти) масс m 0 опускающегося груза, учтя массу подставки, на которую одеваются грузы. Массы подставки и грузов указаны на них.

После каждого опыта проведите следующие расчеты (занося их результаты в таблицу 2):

рассчитайте среднее время опускания груза t 0 ср. и, используя его, по формуле (22) определите линейное ускорение грузов a . С таким же ускорением движутся точки на поверхности шкива;

зная радиус шкива r 0 , по формуле (23) найдите его угловое ускорение?;

используя полученное значение линейного ускорения a по формуле (26) найдите вращающий момент М ;

на основе полученных значений? и M вычислите по формуле (29) момент инерции маховика J 0 без грузов на стержнях.

По результатам всех опытов рассчитайте и занесите в таблицу 2 среднее значение момента инерции J 0,ср. .

Для второго и последующих опытов рассчитайте, занося результаты расчетов в таблицу 2, отношения? i /? 1 и М i /M 1 (i – номер опыта). Проверьте правильность соотношения М i /M 1 = ? 1 /? 2 .

По данным таблицы 2 для какой-нибудь одной строки рассчитайте погрешности измерений момента инерции по формуле:

Значения абсолютных погрешностей?r , ?t , ?h считайте равными приборным погрешностям; ?m 0 = 0,5 г.

Постоянные в данном задании параметры установки, используемые в расчетах:

Вращательное движение тела. Закон вращательного движения

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:

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:

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:

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

Согласно предварительной формуле размерность угловой скорости

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

поэтому период вращения определим следующим образом:

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

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

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

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:

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

Тогда линейная скорость материальной точки, выполняющей вращательное движение

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

Итак, в скалярном виде

Тангенциальное ускоренной материальной точки, которая выполняет вращательное движение

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

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

Так что момент импульса материальной точки для вращательного движения примет вид

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.

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:

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

Если вместо линейной скорости подставить ее выражение через угловую:

то выражение для момента импульса примет вид

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:

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

Момент силы и момент инерции

Закон вращательного движения гласит:

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

Учитывая, что угловое ускорение определяется выражением

получим формулу для момента силы, представленного через момент инерции:

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:

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).

Физика

Закон сохранения момента импульса. Условия равновесия тел

Закон Ньютона для вращательного движения. Второй закон Ньютона для частицы, движущейся под действием силы F , может быть записан в виде:

Где p = mv - импульс частицы. Умножим это уравнение векторно на радиус-вектор частицы r. Тогда

(18.1)

Введем теперь новые величины - момент импульса L = r·p и момент силы N = r·F . Тогда полученное уравнение принимает вид:

Для частицы, совершающей круговое движение в плоскости (x, y) , вектор момента импульса направлен вдоль оси z (т.е. вдоль вектора угловой скорости w ) и равен по модулю

(18.3)

Введем обозначение: I = m·r 2 . Величина I называется моментом инерции материальной точки относительно оси, проходящей через начало координат. Для системы точек, вращающихся вокруг оси z с одинаковой угловой скоростью, можно обобщить определение момента инерции, взяв сумму моментов инерции всех точек относительно общей оси вращения: I = a ·m i ·r i 2 . С помощью понятия интеграла можно определить и момент инерции произвольного тела относительно оси вращения. В любом случае можно записать, что вектор момента импульса системы точек или тела, вращающихся с одинаковой угловой скоростью вокруг общей оси, равен

Тогда уравнение движения тела, вращающегося вокруг некоторой оси, принимает вид:

Здесь момент силы N - вектор, направленный вдоль оси вращения и по модулю равный произведению модуля силы на расстояние по перпендикуляру от точки приложения силы до оси вращения (плечо силы).

Сохранение момента импульса в поле центральных сил. Если сила, действующая на тело со стороны другого тела (находящегося в начале координат), всегда направлена вдоль радиуса-вектора r , соединяющего эти тела, то она называется центральной силой. В этом случае векторное произведение r·F равно нулю (как векторное произведение коллинеарных векторов). Следовательно, равен нулю момент силы N и уравнение вращательного движения принимает вид dL/dt = 0 . Отсюда вытекает, что вектор L не зависит от времени. Иными словами, в поле центральных сил момент импульса сохраняется .

Утверждение, доказанное для одной частицы, можно распространить на замкнутую систему, содержащую произвольное число частиц. Таким образом, в замкнутой системе, где действуют центральные силы, сохраняется суммарный момент импульса всех частиц.

Итак, в произвольной замкнутой консервативной механической системе существуют в общем случае семь сохраняющихся величин - энергия, три компоненты импульса и три компоненты момента импульса, обладающих тем свойством, что для системы частиц значения этих величин представляют сумму значений, взятых для отдельных частиц. Иными словами, полная энергия системы равна сумме энергий отдельных частиц и т.д.

Статика. Раздел механики, изучающий условия равновесия протяженных, абсолютно твердых тел, называется статикой. Тело называется абсолютно твердым , если расстояние между любой парой его точек неизменно. По определению тело находится в состоянии статического равновесия, если все точки тела находятся в состоянии покоя в некоторой инерциальной системе отсчета.

Первое условие равновесия в ИСО: сумма всех внешних сил, приложенных к телу, равна нулю .

В этом случае равно нулю ускорение центра инерции (центра масс) тела. Всегда можно найти такую систему отсчета, в которой центр инерции покоится.

Однако это условие не означает, что все точки тела покоятся. Они могут принимать участие во вращательном движении вокруг некоторой оси. Поэтому возникает второе условие равновесия в ИСО: сумма моментов всех внешних сил относительно любой оси равна нулю .

Дата: __________ Зам.директора по УВР:___________

Тема; Второй закон Ньютона для вращательного движения

Цель:

Образоввательная: улировать и записать в математической форме второй закон Ньютона; объяснить зависимость между величинами, входящими в формулы этого закона;

Развивающая: развивать логическое мышление, умение объяснять проявления второго закона Ньютона в природе;

Воспитательная : формировать интерес к изучению физики, воспитывать трудолюбие, ответственность.

Тип урока: изучение нового материала.

Демонстрации: зависимость ускорения тела от силы, действующей на него.

Оборудование: тележка с легкими колесами, вращающийся диск, набор грузиков, пружина, блок, брусок.

ХОД УРОКА

Организационный момент

Актуализация опорных знаний учащихся

Цепочка формул (воспроизвести формулы):

II. Мотивация учебной деятельности учащихся

Учитель. С помощью законов Ньютона можно не только объяснять наблюдаемые механические явления, но и предсказывать их ход. Напомним, что прямая основная задача механики состоит в нахождении положения и скорости тела в любой момент времени, если известны его положение и скорость в начальный момент времени и силы, которые действуют на него. Эта задача решается с помощью второго закона Ньютона, который сегодня мы будем изучать.

III. Изучение нового материала

1. Зависимость ускорения тела от силы, действующей на него

Более инертное тело имеет большую массу, менее инертно - меньшую:

2. Второй закон Ньютона

Второй закон динамики Ньютона устанавливает связь между кинематическими и динамическими величинами. Чаще всего он формулируется так: ускорение, который получает тело, прямо пропорционально массе тела и имеет то же направление, что и сила:

где - ускорение, - равнодействующая сил, действующих на тело, Н; m - масса тела, кг.

Если из этого выражения определить силу , то получим второй закон динамики в такой формулировке: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на ускорение, которого предоставляет эта сила.

Ньютон сформулировал второй закон динамики несколько иначе, использовав понятие количества движения (импульса тела). Импульс - произведение массы тела на его скорость (то же, что количество движения) - одна из мер механического движения: Импульс (количество движения) является величиной векторной. Поскольку ускорение , то

Ньютон сформулировал свой закон так: изменение количества движения тела пропорциональна действующей силе и происходит по направлению той прямой, вдоль которой эта сила действует.

Стоит рассмотреть еще одна из формулировок второго закона динамики. В физике широко используется векторная величина, которая называется импульсом силы - это произведение силы на время ее действия: Используя это, получим . Изменение импульса тела равно импульсу силы, которая на него действует.

Второй закон динамики Ньютона обобщил исключительно важный факт: действие сил не вызывает собственно движения, а лишь изменяет его; сила вызывает изменение скорости, т.е. ускорение, а не саму скорость. Направление силы совпадает с направлением скорости лишь в частичном случае прямолинейного рівноприскореного (Δ 0) движения. Например, во время движения тела, брошенного горизонтально, сила тяжести направлена вниз, а скорость образует с силой определенный угол, что во время полета тела меняется. А в случае равномерного движения тела по окружности сила все время направлена перпендикулярно скорости движения тела.

Единица измерения силы в СИ определяют на основе второго закона Ньютона. Единица измерения силы называется [H] и определяется так: сила в 1 ньютон придает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2. Таким образом,

Примеры применения второго закона Ньютона

Как пример применения второго закона Ньютона можно рассмотреть, в частности, измерение массы тела при помощи взвешивания. Примером проявления второго закона Ньютона в природе может быть сила, что действует на нашу планету со стороны Солнца, и др.

Границы применения второго закона Ньютона:

1) система отсчета должна быть инерционной;

2) скорость тела должна быть гораздо меньшей, чем скорость света (для скоростей, близких к скорости света, второй закон Ньютона используется в импульсном виде: ).

IV. Закрепление материала

Решение задач

1. На тело массой 500 г одновременно действуют две силы 12 Н и 4 Н, направленные в противоположном направлении вдоль одной прямой. Определить модуль и направление ускорения.

Дано: m = 500 г = 0,5 кг, F1 = 12 Н, F2 = 4 Н.

Найти: а - ?

Согласно второму закону Ньютона: , где Проведем ось Ox, тогда проекция F = F1 - F2. Таким образом,

Ответ: 16 м/с2, ускорение напрямлене в сторону действия большей силы.

2. Координата тела изменяется по закону x = 20 + 5t + 0,5t2 под действием силы 100 Н. Найти массу тела.

Дано: х = 20 + 5t + 0,5t2, F = 100H

Найти: m - ?

Под действием силы тело движется рівноприскорено. Следовательно, его координата изменяется по закону:

Согласно второму закону Ньютона:

Ответ: 100 кг.

3. Тело массой 1,2 кг приобрело скорости 12 м/с на расстоянии 2,4 м под действием силы 16 Н. Найти начальную скорость тела.

Дано: = 12 м/с, s = 2,4m, F = 16H, m = 1,2 кг

Найти: 0 - ?

Под действием силы тело приобретает ускорение согласно второму закону Ньютона:

Для рівноприскореного движения:

Из (2) выразим время t:

и подставим для t в (1):

Подставим выражение для ускорения:

Ответ: 8,9 м/с.

V. Итоги урока

Фронтальная беседа за вопросами

1. Как связаны между собой такие физические величины, как ускорение, сила и масса тела?

2. Или можно по формуле утверждать, что сила, действующая на тело, зависит от его массы и ускорения?

3. Что такое импульс тела (количество движения)?

4. Что такое импульс силы?

5. Какие формулировки второго закона Ньютона вы знаете?

6. Какой важный вывод можно сделать из второго закона Ньютона?

VI. Домашнее задание

Проработать соответствующий раздел учебника.

Решить задачи:

1. Найдите модуль ускорения тела массой 5 кг под действием четырех приложенных к нему сил, если:

а) F1 = F3 = F4 = 20 H, F2 = 16 H;

б) F1 = F4 = 20 H, F2 = 16 H, F3 = 17 H.

2. Тело массой 2 кг, двигаясь прямолинейно, за 4 с изменило свою скорость с 1 м/с до 2 м/с.

а) С каким ускорением двигалось тело?

б) Какая сила действовала на тело в направлении его движения?

в) Как изменился импульс тела (количество движения) за рассматриваемый время?

г) Какой импульс силы, действовавшей на тело?

д) Какое расстояние прошло тело за рассматриваемый время движения?

2 ой закон ньютона для вращательного движения. I.4.2 основной закон динамики вращательного движения