При анализе движения твердых тел мы увидим, что особое место занимает вращение тела, когда все его точки движутся по окружностям. Мы должны быть к этому готовы.
Проблема: Найти особые кинематические характеристики движения МТ по окружности.
При движении МТ по окружности траектория движения уже определена и однозначно задается радиусом окружности и положением окружности в пространстве. Начало системы координат обычно совмещают с центром окружности.
Замечание: Поскольку оси декартовой системы координат образуют правую тройку векторов, то это означает, что, если рукоятку винта вращать от оси Х к оси Y, то стержень винта пойдет по оси Z. Это следует помнить, когда вы делаете соответствующий рисунок.
Z
Кинематическими характеристиками МТ, движущейся по окружности, являются
1. j - угол от положительного направления оси Х до радиус-вектора.
При движении угол меняется: j(t) – закон движения.
2. – угловая скорость, есть быстрота изменения угла j со временем.
Направление определяет положение окружности в пространстве. Это направление определяется правилом правого винта: рукоятка винта движется вместе с материальной точкой по окружности, стержень винта движется вдоль . Т.е. плоскость окружности перпендикулярна вектору угловой скорости.
Математически определение модуля угловой скорости выглядит так: .
3. - угловое ускорение показывает как быстро и в каком направлении меняется вектор .
Угловое ускорение .
Замечание: Если , то – увеличивается по величине (растет), и, следовательно, будет увеличиваться скорость V движения МТ по окружности. Направление не будет меняться, значит положение окружности в пространстве также меняться не будет.
Звук
ЗАДАЧА: Найти закон движения при движении по окружности, плоскость которой неподвижна.
РЕШЕНИЕ: Из определения углового ускорения находим приращение угловой скорости dt, т.е. приращение пропорционально угловому ускорению. По условию направление угловой скорости не меняется.
Из определения угловой скорости находим приращение угла . Далее интегрируем слева и справа: или , отсюда j(t) = j0 + - ответ для случая, когда задана угловая скорость.
ЧАСТНЫЙ СЛУЧАЙ:
Если угловая скорость постоянна как по величине, так и по направлению, т.е. = const, ее модуль w можно вынести за знак интеграла. Тогда получим j(t) = j0 + wt – частный случай закона движения для движения с постоянной угловой скоростью (называется – равномерное вращение).
Выражение для угловой скорости найдем из определения углового ускорения , отсюда dt или, поскольку плоскость неподвижна (направление не меняется), то dw = e dt. Интегрируем слева и справа
и получаем
w(t’) = w0 + .
Закон движения тогда
j(t) = j0 + =
= j0 + + =
= j0 + w0 t + - ответ в общем виде.
Замечание: Кроме углового ускорения, необходимо задавать два начальных условия (начальный угол и начальную угловую скорость).