La física del cos rígid és l'estudi de molts tipus diferents de moviment. Els principals són el moviment de translació i la rotació al llarg d'un eix fix. També hi ha les seves combinacions: lliure, plana, curvilínia, uniformement accelerada i altres varietats. Cada moviment té les seves característiques, però, és clar, hi ha similituds entre ells. Considereu quin tipus de moviment s'anomena rotació i doneu exemples d'aquest moviment, fent una analogia amb el moviment de translació.
Les lleis de la mecànica en acció
A primera vista, sembla que el moviment de rotació, exemples dels quals observem en les activitats quotidianes, viola les lleis de la mecànica. Què es pot sospitar d'aquesta infracció i quines lleis?
Per exemple, la llei de la inèrcia. Qualsevol cos, quan no hi actuen forces desequilibrades, ha d'estar en repòs o realitzar un moviment rectilini uniforme. Però si li doneu una empenta lateral al globus, començarà a girar. IEl més probable és que giraria per sempre si no fos per la fricció. Com un gran exemple de moviment de rotació, el globus està en constant rotació, sense que ningú l'advertisca. Resulta que la primera llei de Newton no s'aplica en aquest cas? No ho és.
El que es mou: un punt o un cos
El moviment de rotació és diferent del moviment cap endavant, però hi ha moltes coses en comú entre ells. Val la pena comparar i comparar aquests tipus, considereu exemples de moviment de translació i rotació. Per començar, cal distingir estrictament entre la mecànica d'un cos material i la mecànica d'un punt material. Recordeu la definició de moviment de translació. Aquest és un moviment del cos, en el qual cadascun dels seus punts es mou de la mateixa manera. Això vol dir que tots els punts del cos físic en cada moment concret de temps tenen la mateixa velocitat en magnitud i direcció i descriuen les mateixes trajectòries. Per tant, el moviment de translació del cos es pot considerar com el moviment d'un punt, o millor dit, el moviment del seu centre de massa. Si altres cossos no actuen sobre aquest cos (punt material), llavors està en repòs o es mou en línia recta i uniformement.
Comparació de fórmules per al càlcul
Exemples del moviment de rotació dels cossos (globus, roda) mostren que la rotació d'un cos es caracteritza per una velocitat angular. Indica en quin angle girarà per unitat de temps. En enginyeria, la velocitat angular s'expressa sovint en revolucions per minut. Si la velocitat angular és constant, podem dir que el cos gira uniformement. Quanla velocitat angular augmenta uniformement, aleshores la rotació s'anomena uniformement accelerada. La similitud de les lleis dels moviments de translació i rotació és molt significativa. Només les designacions de lletres difereixen i les fórmules de càlcul són les mateixes. Això es veu clarament a la taula.
| Moviment cap endavant | Moviment de rotació | |
|
Velocitat v Camí s Hora t Acceleració a |
Velocitat angular ω Desplaçament angular φ Hora t Acceleració angular ± |
|
| s=vt | φ=ωt | |
|
v=at S=at2 / 2 |
ω=±t φ=±t2 / 2 |
Totes les tasques de la cinemàtica tant de moviment de translació com de rotació es resolen de la mateixa manera mitjançant aquestes fórmules.
Funció de la força d'adhesió
Considerem exemples de moviment de rotació en física. Prenem el moviment d'un punt material: una bola de metall pesat d'un coixinet de boles. És possible fer-lo moure en cercle? Si empenyes la pilota, rodarà en línia recta. Podeu conduir la pilota al voltant de la circumferència, recolzant-la tot el temps. Però només cal treure la mà i continuarà movent-se en línia recta. D'això se'n desprèn que un punt només es pot moure en una circumferència sota l'acció d'una força.
Aquest és el moviment d'un punt material, però en un cos sòlid no n'hi ha cappunt, sinó un conjunt. Estan connectats entre ells, ja que les forces de cohesió actuen sobre ells. Són aquestes forces les que mantenen els punts en una òrbita circular. En absència de força de cohesió, els punts materials d'un cos giratori s'apartarien com la brutícia que surt d'una roda que gira.
Velocitats lineals i angulars
Aquests exemples de moviment de rotació ens permeten dibuixar un altre paral·lel entre el moviment de rotació i el de translació. Durant el moviment de translació, tots els punts del cos es mouen en un moment determinat en el temps amb la mateixa velocitat lineal. Quan un cos gira, tots els seus punts es mouen amb la mateixa velocitat angular. En un moviment de rotació, exemples del qual són els radis d'una roda giratòria, les velocitats angulars de tots els punts del radi giratori seran les mateixes, però les velocitats lineals seran diferents.
L'acceleració no compta
Recordeu que en el moviment uniforme d'un punt al llarg d'una circumferència, sempre hi ha una acceleració. Aquesta acceleració s'anomena centrípeta. Mostra només un canvi en la direcció de la velocitat, però no caracteritza el canvi de mòdul de velocitat. Per tant, podem parlar de moviment de rotació uniforme amb una velocitat angular. En enginyeria, amb la rotació uniforme del volant o del rotor d'un generador elèctric, la velocitat angular es considera constant. Només un nombre constant de revolucions del generador pot proporcionar una tensió constant a la xarxa. I aquest nombre de revolucions del volant garanteix un funcionament suau i econòmic de la màquina. Aleshores, el moviment de rotació, dels quals es donen exemples més amunt, es caracteritza només per la velocitat angular, sense tenir en compte l'acceleració centrípeta.
La força i el seu moment
Hi ha un altre paral·lel entre el moviment de translació i el de rotació: el dinàmic. Segons la segona llei de Newton, l'acceleració rebuda per un cos es defineix com la divisió de la força aplicada per la massa del cos. Durant la rotació, el canvi de velocitat angular depèn de la força. De fet, en cargolar una femella, el paper decisiu el juga l'acció giratòria de la força, i no on s'aplica aquesta força: a la femella mateixa o al mànec de la clau. Així, l'indicador de força a la fórmula del moviment de translació durant la rotació del cos correspon a l'indicador del moment de la força. Visualment, es pot mostrar en forma de taula.
| Moviment cap endavant | Moviment de rotació |
| Power F |
Moment de força M=Fl, on l - força de l'espatlla |
| Treball A=Fs | Ocupació A=Mφ |
| Potència N=Fs/t=Fv | Potència N=Mφ/t=Mω |
Massa del cos, la seva forma i moment d'inèrcia
La taula anterior no es compara segons la fórmula de la segona llei de Newton, ja que això requereix una explicació addicional. Aquesta fórmula inclou un indicador de massa, que caracteritza el grau d'inèrcia del cos. Quan un cos gira, la seva inèrcia no es caracteritza per la seva massa, sinó que està determinada per una magnitud com el moment d'inèrcia. Aquest indicador depèn directament no tant del pes corporal com de la seva forma. És a dir, importa com es distribueix la massa del cos a l'espai. Els cossos de diverses formes serantenen diferents valors del moment d'inèrcia.
Quan un cos material gira al voltant d'un cercle, el seu moment d'inèrcia serà igual al producte de la massa del cos en rotació i el quadrat del radi de l'eix de rotació. Si el punt es mou el doble de l'eix de rotació, el moment d'inèrcia i l'estabilitat de la rotació augmentaran quatre vegades. Per això els volants es fan grans. Però també és impossible augmentar massa el radi de la roda, ja que en aquest cas augmenta l'acceleració centrípeta dels punts de la seva llanda. La força de cohesió de les molècules que formen aquesta acceleració pot arribar a ser insuficient per mantenir-les en un camí circular i la roda col·lapsarà.
Comparació final
Quan es dibuixa un paral·lel entre el moviment de rotació i de translació, s'ha d'entendre que durant la rotació, el paper de la massa corporal el juga el moment d'inèrcia. Aleshores, la llei dinàmica del moviment de rotació, corresponent a la segona llei de Newton, dirà que el moment de força és igual al producte del moment d'inèrcia per l'acceleració angular.
Ara podeu comparar totes les fórmules de l'equació bàsica de la dinàmica, el moment i l'energia cinètica en moviment de translació i rotació, els exemples de càlcul de les quals ja es coneixen.
| Moviment cap endavant | Moviment de rotació |
|
Equació bàsica de la dinàmica F=ma |
Equació bàsica de la dinàmica M=I± |
|
Impuls p=mv |
Impuls p=Iω |
|
Energia cinètica Ek=mv2 / 2 |
Energia cinètica Ek=Iω2 / 2 |
Els moviments progressius i rotatius tenen molt en comú. Només cal entendre com es comporten les magnituds físiques en cadascun d'aquests tipus. A l'hora de resoldre problemes, s'utilitzen fórmules molt semblants, la comparació de les quals es mostra més amunt.
