Ruch obrotowy
Kinematyka bryły sztywnej
Bryła doskonale sztywna - odległości między dowolnymi dwoma
punktami są stałe.
Ruch postępowy bryły sztywnej
- dowolna prosta sztywno związana z
bryłą przemieszcza się równolegle do siebie samej.
Ruch obrotowy bryły sztywnej
- wszystkie punkty zakreślają okręgi o
środkach leżących na jednej prostej zwanej osią obrotu. Oś obrotu jest
prostopadła do płaszczyzny tych okręgów.
Wszystkie punkty mają
jednakowe prędkości i
przyspieszenia. Równanie ruchu jest jednakowe dla
wszystkich punktów.
Punkty leżące w różnych odległościach
od osi obrotu mają różne prędkości
liniowe. Ich promienie zakreślają takie
same kąty w tym samym czasie
Analogie ruchu prostoliniowego i obrotowego
dx
dt
d
dt
θ
dv
dt
2
2
d x
d t
d
dt
ω
2
d
d 2
t
θ
przesunięcie x
kąt obrotu
θ
prędkość liniowa v =
(chwilowa)
prędkość kątowa
ω
=
(chwilowa)
przyspieszenie liniowe
a =
=
przyspieszenie kątowe
α
= =
Prędkość kątowa jest wektorem równym liczbowo
, skierowanym
wzdłuż osi obrotu o zwrocie określonym regułą śruby prawoskrętnej.
Jeśli
= const. to ruch
obrotowy jest jednostajny.
T - okres (czas pełnego obrotu)
f =
- częstotliwość
(ilość obrotów na sekundę)
Związek między prędkością liniową punktu i jego prędkością kątową :
W czasie T: droga liniowa 2
π
r; droga kątowa 2
π
(
- promień wodzący).
prędkość punktu : V =
= 2
π
rf
V =
ω
r
= x
d
dt
θ
→
ω
1
T
→
r
2
πr
T
→
v
→
ω
→
r
Przyspieszenie dośrodkowe (normalne)
a
n
=
=
ω
2
r = 4
π
2
f
2
r
wektorowo : =
-
ω
2
W ruchu obrotowym niejednostajnym
;
α
=
a =
α
r
= x
W ruchu jednostajnym :
θ
=
θ
o
+
ω
t
(analogicznie do: s = s
o
+ v t w ruchu postępowym).
2
V
r
→
n
a
→
r
dV
dt
d
dt
r
=
ω
d
dt
ω
→
a
→
α
→
r
W ruchu jednostajnie zmiennym :
θ
=
θ
o
+
ω
o
t +
(analogicznie do s = s
o
+ v
o
t +
w ruchu postępowym).
ω
=
ω
o
+
α
t
(analogicznie do v = v
o
+ at w ruchu postępowym).
W ogólnym przypadku ruch bryły sztywnej może być bardzo złożony.
Każdy ruch złożony bryły sztywnej można przedstawić jako złożenie
ruchów postępowych i obrotowych.
α
2
2
t
2
2
t
a
Dynamika ruchu obrotowego
Moment bezwładności
Dla punktu materialnego
I = m r
2
Każdą bryłę można przedstawić jako złożenie różnych punktów
materialnych znajdujących się w różnych odległościach od osi obrotu.
I
≡
Dla ciągłego rozkładu masy I
≡
∆
i
i
i
m r
∑
2
2
r dm
∫
Przykłady
:
Obręcz, lub rura cienkościenna :
Cała masa w odległości r
od osi obrotu, więc I=mr
2
Dla pełnego krążka o masie M:
dm - masa w pierścieniu pomiędzy r i r+dr;
pole powierzchni pierścienia 2
π
rdr, więc
; dm = M
I =
dm
M
rdr
R
=
2
2
π
π
2
2
rdr
R
2
2
2
2
3
2
4
0
2
0
0
0
2
2
2
4
1
2
r dm
r M
rdr
R
M
R
r dr
M
R
r
M R
R
R
R
R
=
=
=
=
∫
∫
∫
Momenty bezwładności (względem pokazanych na
rysunkach osi) kilku często występujących ciał.
1
2
ml
12
2
Ciało
I
Obręcz lub pierścień
mR
2
Krążek lub walec
mR
2
Pręt wokół środka
Pręt wokół końca (*)
Pełna kula
mR
2
Czasza kulista
mR
2
Krążek wokół punktu na
obwodzie
mR
2
ml
3
2
2
5
2
3
3
2
Twierdzenie Steinera
(twierdzenie o osiach równoległych):
Moment bezwładności
I
względem dowolnej osi równa się sumie
momentu bezwładności
I
ŚM
względem osi do niej równoległej i
przechodzącej przez środek masy i momentu bezwładności względem
danej osi liczonemu tak, jakby cała masa ciała była skupiona w środku
masy :
I = I
ŚM
+ M r
2
M - masa ciała
r - odległości osi obrotu od środka masy
Np. pręt o długości l przy obrocie wokół końca (*):
I = +m = + =
ml
2
12
l
2
2
ml
2
12
ml
2
4
ml
2
3
Moment pędu
= x
= m
(pęd liniowy)
= m
x
L = m r V sin
α
= r p sin
α
V
⊥
= V sin
α
→
L
→
r
→
p
→
p
→
v
→
L
→
r
→
v
L = m r V
⊥
L = r p
⊥
r
⊥
= r sin
α
L = m r
⊥
V
L = r
⊥
p
r
⊥
- ramię pędu
Gdy
α
= 0, L = 0
Moment pędu układu punktów materialnych jest sumą
momentów pędu punktów względem tej samej osi obrotu
x
= (
x ) m
=
x
[ x(
x )]m = m[ x( x )]=
Ponieważ :
⋅
= r
2
;
⊥
;
⋅
= 0
=m[
(
) -
(
)]
=m
r
2
= m r
2
= I
Moment pędu jest wektorem o tym samym kierunku i zwrocie co
wektor prędkości kątowej.
→
=
L
→
=
∑
i
i
n
L
1
→
=
L
→
r
→
p
→
r
→
v
→
v
→
ω
→
r
→
=
L
→
r
→
ω
→
r
→
r
→
ω
→
r
→
r
→
r
→
r
→
ω
→
r
→
ω
→
ω
→
r
→
r
→
r
→
r
→
ω
→
L
→
ω
→
ω
→
ω
Wpływ siły centralnej na moment pędu
≡
x
=
x + x
=
x +
x
, czyli
α=0 więc x
= 0
(gdyż
- siła centralna), czyli x
= 0
= 0 więc = const
Ciało pod działaniem siły centralnej ma stały moment pędu.
→
L
→
r
→
p
d L
dt
→
d r
dt
→
→
p
→
r
d p
dt
→
→
v
→
p
→
r
→
F
→
v
→
p
→
v
p
→
→
F
→
r
→
F
→
F
→
r
d L
dt
→
→
L
Moment siły
≡
x
T = r F sin
α
→
T
→
r
→
F
r
⊥
= r sin
α
r
⊥
- ramię działania siły
F
⊥
= F sin
α
T = r
⊥
F
T = r F
⊥
Sformułujemy II-gą zasadę Newtona dla ruchu obrotowego:
=
x
= x
+
x
=
=
x
+
x
→
L
→
r
→
p
d L
dt
→
d r
dt
→
→
p
→
r
d p
dt
→
→
v
→
p
→
r
→
wyp
F
.
x
= x (m
) = m ( x
) = 0
II-zasada dynamiki
=
analog.:
=
dla ruchu obrotowego
Jeśli
= 0, to
= 0 czyli = const
I zasada dynamiki dla r. obr.
Dla bryły sztywnej o momencie bezwładności I
= I = I
; =
= I
= I analog. = m
(inna postać II-giej zasady dynamiki dla ruchu obrotowego)
= analog. =
→
v
→
p
→
v
→
v
→
v
→
v
d L
dt
→
→
wyp
T
.
d p
dt
→
→
wyp
F
.
wyp
T
→
d L
dt
→
→
L
→
L
→
ω
d L
dt
→
d
dt
→
ω
d
dt
→
ω
→
α
d L
dt
→
→
α
→
T wyp
→
α
→
F
→
a
→
α
→
T
I
wyp.
→
a
→
F
m
Przykład:
Jaką prędkość na dole studni o głębokości h osiągnie
wiadro o masie m na nieważkim sznurze nawiniętym na kołowrót o
masie M i promieniu r
= m
= I
F = mg - N
= x
mg - N = m a
I = 0.5 M r
2
r N = 0.5 M r
2
α
a =
α
r
α
= a/r
(**) N = 0.5 M a
Dodajemy stronami równ.(*),(**): m g - N + N = m a + 0.5 M a
m g = (m + 0.5 M ) a
a =
(a
<
g, tylko
gdy M = 0 to a = g)
→
F
→
a
→
T
→
α
→
T
→
r
→
N
g
M
m
m
5
0.
+
h =
; t =
=
;
V = a t =
=
Z zasady zachowania całkowitej energii mechanicznej E=U+K
E
1
= mgh + 0; E
2
= 0 +
;
E
1
= E
2
mgh = mV
2
+ I
ω
2
I = Mr
2
;
ω
=
mgh = m
V
2
+
Mr
2
; mgh = V
2
(m + M)
V =
t
2
2
h
g
1
2
2
h m
M
+
1
1
2
2
m V
I
+
ω
2
2
r
1
g
m
M
m
+
1
g
m
a
2
2
2h
a
m
m
M
+
2
2
1
2
hg
m
m
M
+
2
2
1
2
1
2
2
V
V
r
1
2
1
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
2
hg
m
m
M
+
Z II-giej zasady dynamiki Newtona dla ruchu obrotowego
wynika, że gdy
= 0 to
= const. czyli :
Moment pedu jest stały, gdy nie działa zewnetrzny moment siły.
Jest to zasada zachowania momentu pędu
To prawo odnosi się nie tylko do ciał poruszających się ruchem
obrotowym lub po orbitach zamkniętych - dotyczy również dowolnych
trajektorii oraz zderzeń.
Dla układu n cząstek
=
=
d L
dt
T wyp
→
=
→
→
T wyp
→
L
→
=
∑
i
i
n
T
1
∑
=
→
n
i
L
i
dt
d
1
)
(
L
ca
dt
d
.
µ
→
Jeśli układ jest odosobniony , to nie działają zewnętrzne momenty sił.
Przy oddziaływaniach wewnętrznych występują zawsze siły reakcji.
= -
i -
mają to samo ramię działania
⊥
→
F reakcji
F
→
→
F reakcji
F
→
→
r
więc = -
reakcji
→
i
T
→
i
T
Czyli
= 0
i
i
n
T
=
∑
1
= 0
⇒
= const.
Prawo zachowania momentu pędu dla układu odosobnionego
d L cał
dt
→
→
.
L cał
Przykład:
Chłopiec stojący na stoliku obrotowym trzyma w
wyciągniętych rękach ciężarki o masie m każda. Nadano mu
prędkość kątową
ω
1
= 1,57 s
-1
. Z jaką częstotliwością będzie się
obracał po ściągnięciu rąk do siebie ?. Dane liczbowe jak na rysunku:
I
C1
= 2mr
1
2
I
C2
= 2mr
2
2
L
C1
= I
CH
ω
1
+ I
C1
ω
1
L
2
= I
CH
ω
2
+ I
C2
ω
2
Nie działa zewnętrzny moment siły, więc L
1
= L
2
(I
CH
+ I
C1
)
ω
1
= (I
CH
+ I
C2
)
ω
2
ω
2
=
ω
1
ω
= 2
π
f;
f
1
= s
-1
; f
2
=
1,3 s
-1
Jaką pracę wykonał chłopiec ściągając do siebie ciężarki?
K
1
=
(I
CH
+ I
C1
); K
2
= (I
CH
+ I
C2
)
W = K
2
- K
1
≅
10,88 J - 2,14 J = 8,74 J
CH
CH
I
2m 12
r
I
2m 22
r
1,57
1
s
0,3kg
2
m
2 2 0,6
2
kg m
2
0,3kg m
2
2 2 0,1
2
kg m
2
8s
1
+
+
=
−
+
⋅
+
=
−
1
ω
2
0 25
π
= ,
2
ω
2
π
≅
1
2
1
2
ω
1
2
2
2
ω
Środek masy układu odosobnionego porusza się ruchem
prostoliniowym jednostajnym (tzn. pęd całkowity jest stały)
Rozpatrzmy moment pędu względem środka masy. Całkowity moment
pędu względem dowolnego punktu dla układu n cząsteczek.
całk.
=
x
Moment pędu zależy od wyboru punktu początkowego układu
współrzędnych 0. Niech
ŚM
będzie wektorem położenia środka
masy układu n cząstek w wybranym układzie współrzędnych.
Podstawimy = -
ŚM
+
ŚM
→
L
i i
i
n
m r
→
=
∑
1
→
v i
→
R
→
i
r
→
i
r
→
R
→
R
1
= -
ŚM
ŚM
x
i
= -
ŚM
m
i
i
x =
i ŚM
ŚM
x
całk.
→
R
→
1
r
R
→
→
R
i
i
n
m
=
∑
1
→
i
V
→
R
→
i
r
→
R
→
R
→
i
V
→
L
→
R
→
p
ŚM
- całkowity moment pędu układu względem jego środka
masy
ŚM
x
całk
-moment pędu środka masy względem punktu 0
ŚM
x
całk
zależy od wyboru układu współrzędnych,
natomiast
ŚM
nie zależy.
→
R
→
p
→
L
→
p
→
R
→
L
=
iŚM
+
ŚM
x
całk.
=
ŚM
+
ŚM
x
całk
→
=
∑ L
i 1
n
→
R
→
p
→
L
→
R
→
p
całk.
=
(
-
ŚM
) x
+
ŚM
x =
→
L
i
i
n
m
=
∑
1
→
i
r
→
R
→
i
V
i
i
n
m
=
∑
1
→
R
→
i
V
Dla pojedynczej cząstki
ŚM
nazywamy
spinowym momentem pędu.
Jeśli wybierzemy początek układu („0”) w środku masy, to
ŚM
= 0 i
ŚM
x
całk
= 0
całk.
=
ŚM
II zasada Newtona dla ruchu obrotowego wokół środka masy:
=
→
L
→
R
→
R
→
p
→
L
→
L
d L
dt
Ś M
→
→
T
wyp
* Ruch środka masy jest określony przez wypadkową siłę
zewnętrzną działającą na układ (ciało sztywne).
* Obrót wokół środka masy układu (ciała sztywnego) jest określony
przez wypadkowy zewnętrzny moment sił.
Jeżeli ciało sztywne jest w spoczynku lub porusza się ruchem
jednostajnym postępowym lub obrotowym (może to być ruch
złożony), to :
1) =
= 0; 2)
=
= 0
→
∑
j
F
→
wyp
F
.
→
∑
j
j
T
→
T
wyp
Energia kinetyczna w ruchu obrotowym
Ruch obrotowy wokół osi stałej
Punkt materialny o masie
∆m poruszający się po okręgu o promieniu
r z prędkością kątowa
ω
ma energię kinetyczną K:
K
=
=
ω
2
∆
mr
2
=
ω
2
I
[ V =
ω
r]
Dla układu n punktów materialnych (o tej samej
ω
, np. bryła sztywna)
K
=
=
=
ω
2
=
ω
2
I
1
2
2
∆m V
1
2
1
2
1
2
2
2
1
ω
∆
i i
i
n
m r
=
∑
1
2
∆
i i
i
n
m r
2
1
=
∑
1
2
= +
K
całk.
= (
=
(
) =
1
2
1
∆
i
i
n
m
=
∑
→
v
2
i
1
2
1
∆
i
i
n
m
=
∑
→
v
i
→
v
i
= (
(
+
) (
+
) =
1
2
1
∆
i
i
n
m
=
∑
→
v
2
Ś M
i
v'
→
→
v
Ś M
i
v'
→
∑∆
=
n
i
i
m
1
2
'
v
i
→
i
1
n
=
=
n
1
i
v' i
→
→
v
Ś M
→
v
i
-
prędkość środka
mas
→
v
Ś M
-
prędkość cząstki
"i"
względem śr.masy
i
v'
→
Całkowita energia kinetyczna
= +
v
i
'
+
2
1
ŚM
v
∆
i
m
∑
∑∆
2
V
m
2
1
ŚM
i
)
(
=
K
V
m
'
2
.
2
1
ŚM
całk
+
0
K
'
∑∆
∑∆
=
=
→
n
i
i
n
i
i
m
V
m
i
1
1
'
=
→
ŚM
v'
Energia kinetyczna środka masy
względem układu odniesienia,
K' - całkowita energia kinetyczna
względem środka masy
=
= 0
= 0 (prędkość środka masy
względem środka masy)
∆
i
i
i
n
m V
→
=
∑
'
1
ŚM
v'
→
∆
i
i
n
m
=
∑
1
ŚM
v'
→
Dla bryły sztywnej, w układzie środka masy, może występować tylko
energia kinetyczna obrotowa (poszczególne punkty są „sztywno”
związane i nie mogą zbliżać się ani oddalać od środka masy).
K
’
=
ω
2
I
K
całk.
=
M +
ω
2
I
M - masa bryły sztywnej
I - moment bezwładności bryły (oś przechodzi przez środek masy
M
- energia kinetyczna ruchu postępowego bryły sztywnej
ω
2
I
- energia kinetyczna ruchu obrotowego bryły wokół środka masy
1
2
1
2
v
2
ŚM
1
2
1
2
v
2
ŚM
1
2
Przykład:
Jaką prędkość w ruchu postępowym na dole równi pochyłej o
wysokości h i kącie nachylenia
α uzyska masa m w postaci :
a) klocka zsuwającego się bez tarcia;
b) pustego, cienkościennego walca o promieniu r;
c) pełnego walca o tym samym promieniu r (walce staczają się bez
poślizgu) ?
Na dole
równi
K
1
=
K
2
=
I
2
= m r
2
ω
2
=
K
2
=
K
2
=
K
2
= m
K
3
=
I
3
= m r
2
ω
3
=
K
3
=
K
3
=
K
3
=
m V
1
2
2
m V
I
2
2
2
2
2
2
2
+ ω
2
V
r
m V
m r
V
r
2
2
2
2
2
2
2
2
+
2
2
2
2
2
2
V
V
m
m
+
2
2
v
m V
I
3
3
3
2
2
2
+ ω
1
2
3
V
r
m V
m r
V
r
3
2
2
3
2
2
2
1
2
2
+
m V
m V
3
2
3
2
2
4
+
3
4
m
3
2
v
m V
1
2
2
2
2
v
3
4
m
3
2
v
2gh
gh
4
3
gh
2
gh
gh
4
3
gh
K
1
=K
2
=K
3
=mgh
mgh=
mgh=m
mgh=
V
1
=
V
2
=
V
3
=
niezależne
od masy i
od promienia
V
1
=
V
2
=
V
3
=
V
1
>
V
3
>
V
2
m V
2
2
3
2
2
m r
3
2
2
2
3
2
2
m r
V
r
3
4
3
2
m V
4
3
gh
Gdyby klocek i pusty walec
miały taką samą prędkość V
K
’
1
= K
’
2
= m V
2
2K
’
1
= K
’
2
I
’
3
=
K
3
=
K
3
=
V
3
=
Bąk symetryczny, żyroskop
Jeżeli do obracającego się bąka zostanie przyłożony moment sił usiłujący
go obrócić wokół osi prostopadłej do jego osi obrotu, to bąk zacznie się
obracać wokół trzeciej osi, prostopadłej do tamtych dwóch.
Pierwotna oś obrotu bąka: 00
’
(pręd. kątowa
Działająca para sił
i usiłuje obrócić bąk wokół osi
AA
’
.
Moment
pary sił
i powoduje powstanie
przyspieszenia kątowego
zgodnie z II-gą zasadą
Newtona dla ruchu obrotowego:
=
(
⊥
)
W efekcie, bąk obróci się wokół osi B B
’
(efekt żyroskopowy)
i C C
’
będzie nową, chwilową osią obrotu bąka.
→
ω
→
F
→
'
F
→
T
→
F
→
'
F
→
α
→
α
→
T
I
→
α
→
F
Ruch precesyjny
Gdy oś obrotu bąka 0 0
’
odchyli się od
kierunku pionowego, składowa siły
ciężkości będzie usiłowała
przewrócić bąk.
Efekt żyroskopowy sprawi, że bąk odchyli
się w kierunku prostopadłym do osi 00
’
i do osi wymuszanej przez siłę
, tzn.
w kierunku wskazanym przez wektor V.
→
g
F
'
→
g
F
'
Precesja pod wpływem momentu siły ciężkości
=
d = dt = x
⊥
⇒ d ⊥
(w każdej chwili działanie momentu wywołuje zmiany kierunku
momentu pędu ).
Kąt d
φ, o jaki obróci się oś bąka 00
’
w czasie dt:
tg(d
φ)≈dφ
d
φ =
Zatem prędkość kątowa precesji :
ω
p
=
=
=
→
T
→
g
F
'
→
T
d L
dt
→
→
L
→
T
→
T
→
r
→
g
F
→
T
→
L
→
L
→
L
→
T
→
L
dL
L
d
dt
ϕ
1
L
dL
dt
T
L
T
I
=
ω
Precesja kuli ziemskiej
Ziemia jest bąkiem symetrycznym swobodnym. Wskutek spłaszczenia i
nachylenia osi obrotu względem ekliptyki, część I jest silniej przyciągana
przez Słońce niż część II, ponadto w ruchu obrotowym wokół Słońca, na
część I działa mniejsza siła „odśrodkowa” F
I
niż na część II (F
II
).
Powstaje moment sił usiłujący obrócić Ziemię wokół osi prostopadłej do
rysunku. W efekcie następuje obrót wokół chwilowej osi B B
’
i ruch
precesyjny.
Nutacja
W rzeczywistości ruch osi bąka jest złożony, wykonuje drgania zwane
nutacją.