Vật lý cơ thể cứng là nghiên cứu về nhiều dạng chuyển động khác nhau. Những cái chính là chuyển động tịnh tiến và quay dọc theo một trục cố định. Ngoài ra còn có các kết hợp của chúng: tự do, phẳng, cong, tăng tốc đồng đều và các giống khác. Mỗi chuyển động đều có những đặc điểm riêng, nhưng tất nhiên giữa chúng cũng có những điểm tương đồng. Hãy xem xét loại chuyển động nào được gọi là chuyển động quay và đưa ra các ví dụ về chuyển động đó, vẽ một phép tương tự với chuyển động tịnh tiến.
Quy luật cơ học trong hành động
Thoạt nhìn, có vẻ như chuyển động quay, ví dụ mà chúng ta quan sát thấy trong các hoạt động hàng ngày, vi phạm quy luật cơ học. Điều gì có thể bị nghi ngờ về hành vi vi phạm này và những luật nào?
Ví dụ như luật quán tính. Bất kỳ vật thể nào, khi các lực không cân bằng không tác dụng lên nó, phải ở trạng thái nghỉ hoặc thực hiện chuyển động thẳng đều. Nhưng nếu bạn cho quả địa cầu một lực đẩy ngang, nó sẽ bắt đầu quay. Vàrất có thể nó sẽ quay mãi mãi nếu không có ma sát. Giống như một ví dụ tuyệt vời về chuyển động quay, địa cầu liên tục quay, không bị ai chú ý. Nó chỉ ra rằng định luật đầu tiên của Newton không áp dụng trong trường hợp này? Nó không phải.
Những gì di chuyển: một điểm hoặc một cơ thể
Chuyển động quay khác với chuyển động tịnh tiến, nhưng có nhiều điểm chung giữa chúng. Cần so sánh và so sánh các loại này, hãy xem xét các ví dụ về chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay. Để bắt đầu, người ta nên phân biệt rõ ràng giữa cơ học của một vật chất và cơ học của một điểm vật chất. Nhắc lại định nghĩa của chuyển động tịnh tiến. Đây là một chuyển động của cơ thể, trong đó mỗi điểm của nó chuyển động theo cùng một cách. Điều này có nghĩa là tất cả các điểm của cơ thể vật chất tại mỗi thời điểm cụ thể đều có cùng tốc độ về độ lớn và hướng và mô tả các quỹ đạo giống nhau. Do đó, chuyển động tịnh tiến của vật có thể được coi là chuyển động của một điểm, hay đúng hơn là chuyển động của khối tâm. Nếu các vật thể khác không tác động lên vật thể như vậy (điểm vật chất), thì vật thể đó ở trạng thái nghỉ hoặc di chuyển theo đường thẳng và đồng nhất.
So sánh các công thức tính
Ví dụ về chuyển động quay của các vật thể (quả cầu, bánh xe) cho thấy rằng chuyển động quay của một vật thể được đặc trưng bởi một vận tốc góc. Nó cho biết nó sẽ quay ở góc nào trên một đơn vị thời gian. Trong kỹ thuật, vận tốc góc thường được biểu thị bằng số vòng quay trên phút. Nếu vận tốc góc không đổi thì ta có thể nói rằng vật quay đều. Khi nàovận tốc góc tăng đều thì chuyển động quay được gọi là gia tốc đều. Sự giống nhau của các định luật về chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay là rất đáng kể. Chỉ có các ký hiệu chữ cái là khác nhau và các công thức tính toán đều giống nhau. Điều này được thấy rõ trong bảng.
| Chuyển động về phía trước | Chuyển động quay | |
|
Tốc độ v Đường đi Thời gian t Tăng tốc a |
Vận tốc góc ω Sự dịch chuyển góc φ Thời gian t Gia tốc góc ą |
|
| s=vt | φ=ωt | |
|
v=at S=at2/ 2 |
ω=ąt φ=ąt2/ 2 |
Tất cả các nhiệm vụ trong chuyển động học của cả chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay đều được giải tương tự bằng cách sử dụng các công thức này.
Vai trò của lực bám dính
Hãy xem xét các ví dụ về chuyển động quay trong vật lý. Hãy lấy chuyển động của một điểm vật liệu - một viên bi kim loại nặng từ một ổ bi. Có thể làm cho nó chuyển động theo đường tròn được không? Nếu bạn đẩy quả bóng, nó sẽ lăn trên một đường thẳng. Bạn có thể lái bóng quanh chu vi, hỗ trợ nó mọi lúc. Nhưng một người chỉ phải bỏ tay ra, và người đó sẽ tiếp tục di chuyển trên một đường thẳng. Từ đó rút ra kết luận rằng một điểm có thể chuyển động theo đường tròn chỉ dưới tác dụng của một lực.
Đây là chuyển động của một điểm vật chất, nhưng trong một thể rắn không cóđiểm, nhưng một tập hợp. Chúng được kết nối với nhau, khi các lực cố kết tác động lên chúng. Chính những lực này giữ các chất điểm theo một quỹ đạo tròn. Trong trường hợp không có lực kết dính, các điểm vật chất của một vật thể quay sẽ bay ra như bụi bẩn bay ra khỏi bánh xe quay.
Tốc độ tuyến tính và góc
Những ví dụ này về chuyển động quay cho phép chúng ta vẽ một song song khác giữa chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến. Trong quá trình chuyển động tịnh tiến, mọi chất điểm của vật chuyển động đều tại một thời điểm nhất định với cùng một vận tốc thẳng. Khi một vật quay, tất cả các điểm của nó đều chuyển động với cùng một vận tốc góc. Trong chuyển động quay, ví dụ về các nan hoa của bánh xe quay, vận tốc góc của tất cả các điểm của bánh xe quay sẽ giống nhau, nhưng vận tốc tuyến tính sẽ khác.
Tăng tốc không tính
Nhắc lại rằng trong chuyển động thẳng đều của một điểm dọc theo đường tròn, luôn có gia tốc. Gia tốc như vậy được gọi là hướng tâm. Nó chỉ cho thấy sự thay đổi theo hướng của tốc độ, nhưng không mô tả sự thay đổi trong mô đun tốc độ. Do đó, chúng ta có thể nói về chuyển động quay đều với một vận tốc góc. Trong kỹ thuật, với chuyển động quay đều của bánh đà hoặc rôto của máy phát điện, vận tốc góc được coi là không đổi. Chỉ có một số vòng quay không đổi của máy phát điện mới có thể cung cấp cho mạng một hiệu điện thế không đổi. Và số vòng quay của bánh đà này đảm bảo cho máy vận hành trơn tru và tiết kiệm. Sau đó, chuyển động quay, các ví dụ được đưa ra ở trên, chỉ được đặc trưng bởi vận tốc góc, mà không tính đến gia tốc hướng tâm.
Lực lượng và thời điểm của nó
Có một sự song song khác giữa chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay - động. Theo định luật thứ hai của Newton, gia tốc mà một vật nhận được được định nghĩa là phép chia lực tác dụng cho khối lượng của vật đó. Trong quá trình quay, sự thay đổi vận tốc góc phụ thuộc vào lực. Thật vậy, khi vặn một đai ốc, vai trò quyết định được đóng bởi chuyển động quay của lực, chứ không phải nơi tác dụng lực này: lên chính đai ốc hoặc tay cầm cờ lê. Như vậy, chỉ số của lực trong công thức tính chuyển động tịnh tiến trong quá trình quay của vật tương ứng với chỉ số của mômen lực. Trực quan, điều này có thể được hiển thị dưới dạng một bảng.
| Chuyển động về phía trước | Chuyển động quay |
| Power F |
Mômen của lực M=Fl, trong đó l - sức mạnh bờ vai |
| Công việc A=Fs | Công việc A=Mφ |
| Công suất N=Fs / t=Fv | Công suất N=Mφ / t=Mω |
Khối lượng của cơ thể, hình dạng và mômen quán tính của nó
Bảng trên không so sánh theo công thức của định luật II Newton, vì điều này cần giải thích thêm. Công thức này bao gồm một chỉ số về khối lượng, đặc trưng cho mức độ quán tính của cơ thể. Khi một vật quay, quán tính của nó không được đặc trưng bởi khối lượng của nó, mà được xác định bởi một đại lượng như mômen quán tính. Chỉ số này phụ thuộc trực tiếp không quá nhiều vào trọng lượng cơ thể cũng như hình dạng của nó. Đó là, vấn đề quan trọng là cách phân bố khối lượng của cơ thể trong không gian. Các cơ quan có hình dạng khác nhau sẽcó các giá trị khác nhau của mômen quán tính.
Khi một vật quay quanh một vòng tròn, thì momen quán tính của nó sẽ bằng tích khối lượng của vật quay và bình phương bán kính của trục quay. Nếu chất điểm chuyển động ra xa trục quay gấp đôi thì momen quán tính và chuyển động quay đều tăng lên bốn lần. Đó là lý do tại sao bánh đà được làm lớn. Nhưng cũng không thể tăng bán kính của bánh xe quá nhiều, vì trong trường hợp này gia tốc hướng tâm của các điểm thuộc vành của nó tăng lên. Lực liên kết của các phân tử tạo thành gia tốc này có thể không đủ để giữ chúng trên một đường tròn và bánh xe sẽ xẹp xuống.
So sánh cuối cùng
Khi vẽ đường song song giữa chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến, cần hiểu rằng trong quá trình quay, vai trò của khối lượng vật thể do mômen quán tính đóng. Khi đó, định luật động lực học của chuyển động quay, tương ứng với định luật thứ hai của Newton, sẽ nói rằng mômen của lực bằng tích của mômen quán tính và gia tốc góc.
Bây giờ bạn có thể so sánh tất cả các công thức của phương trình cơ bản của động lực học, động lượng và động năng trong chuyển động tịnh tiến và quay, các ví dụ tính toán đã biết.
| Chuyển động về phía trước | Chuyển động quay |
|
Phương trình Động lực học Cơ bản F=ma |
Phương trình Động lực học Cơ bản M=Tôią |
|
Xung p=mv |
Xung p=Iω |
|
Động năng Ek=mv2/ 2 |
Động năng Ek=Iω2/ 2 |
Chuyển động tiến và chuyển động quay có nhiều điểm chung. Nó chỉ cần thiết để hiểu cách các đại lượng vật lý hoạt động trong mỗi loại này. Khi giải quyết vấn đề, các công thức tương tự được sử dụng, so sánh công thức được đưa ra ở trên.
