Fizik badan tegar ialah kajian tentang pelbagai jenis gerakan. Yang utama ialah pergerakan translasi dan putaran di sepanjang paksi tetap. Terdapat juga kombinasi mereka: bebas, rata, lengkung, dipercepat secara seragam dan jenis lain. Setiap pergerakan mempunyai ciri-ciri sendiri, tetapi, sudah tentu, terdapat persamaan di antara mereka. Pertimbangkan jenis pergerakan yang dipanggil putaran dan berikan contoh pergerakan sedemikian, lukiskan analogi dengan pergerakan translasi.
Undang-undang mekanik dalam tindakan
Pada pandangan pertama, nampaknya pergerakan putaran, contoh yang kita perhatikan dalam aktiviti seharian, melanggar undang-undang mekanik. Apakah yang boleh disyaki mengenai pelanggaran ini dan apakah undang-undang?
Contohnya, hukum inersia. Mana-mana badan, apabila daya tidak seimbang tidak bertindak ke atasnya, mesti sama ada dalam keadaan rehat atau melakukan gerakan rectilinear seragam. Tetapi jika anda memberi dunia tolakan sisi, ia akan mula berputar. Dania berkemungkinan besar akan berputar selama-lamanya jika bukan kerana geseran. Seperti contoh gerakan putaran yang hebat, dunia sentiasa berputar, tanpa disedari oleh sesiapa pun. Ternyata undang-undang pertama Newton tidak terpakai dalam kes ini? Bukan.
Apa yang bergerak: titik atau badan
Pergerakan putaran berbeza daripada pergerakan ke hadapan, tetapi terdapat banyak persamaan di antara mereka. Adalah wajar membandingkan dan membandingkan jenis ini, pertimbangkan contoh gerakan translasi dan putaran. Sebagai permulaan, seseorang harus betul-betul membezakan antara mekanik badan material dan mekanik titik material. Ingat kembali definisi gerakan translasi. Ini adalah pergerakan badan, di mana setiap titiknya bergerak dengan cara yang sama. Ini bermakna semua titik badan fizikal pada setiap saat tertentu mempunyai kelajuan yang sama dalam magnitud dan arah dan menggambarkan trajektori yang sama. Oleh itu, gerakan translasi badan boleh dianggap sebagai gerakan satu titik, atau lebih tepat, gerakan pusat jisimnya. Jika badan lain tidak bertindak ke atas jasad tersebut (titik material), maka ia berada dalam keadaan rehat, atau bergerak dalam garis lurus dan seragam.
Perbandingan formula untuk pengiraan
Contoh pergerakan putaran jasad (glob, roda) menunjukkan bahawa putaran jasad dicirikan oleh halaju sudut. Ia menunjukkan pada sudut mana ia akan berputar setiap unit masa. Dalam kejuruteraan, halaju sudut sering dinyatakan dalam pusingan seminit. Jika halaju sudut adalah malar, maka kita boleh mengatakan bahawa badan berputar secara seragam. Bilahalaju sudut bertambah seragam, maka putaran dipanggil seragam dipercepatkan. Persamaan hukum gerakan translasi dan putaran sangat ketara. Hanya sebutan huruf yang berbeza, dan formula pengiraan adalah sama. Ini jelas kelihatan dalam jadual.
| Gerakan ke hadapan | Pergerakan putaran | |
|
Kelajuan v Laluan s Masa t Pecutan a |
Halaju sudut ω Anjakan sudut φ Masa t Pecutan sudut ą |
|
| s=vt | φ=ωt | |
|
v=at S=at2 / 2 |
ω=ąt φ=ąt2 / 2 |
Semua tugasan dalam kinematik kedua-dua gerakan translasi dan putaran diselesaikan dengan cara yang sama menggunakan formula ini.
Peranan daya lekatan
Mari kita pertimbangkan contoh gerakan putaran dalam fizik. Mari kita ambil pergerakan satu titik material - bola logam berat dari galas bebola. Adakah mungkin untuk membuatnya bergerak dalam bulatan? Jika anda menolak bola, ia akan bergolek dalam garisan lurus. Anda boleh memandu bola di sekeliling lilitan, menyokongnya sepanjang masa. Tetapi seseorang hanya perlu mengeluarkan tangannya, dan dia akan terus bergerak dalam garis lurus. Daripada ini berikutan kesimpulan bahawa titik boleh bergerak dalam bulatan hanya di bawah tindakan daya.
Ini adalah pergerakan titik material, tetapi dalam badan pepejal tidak ada satu puntitik, tetapi satu set. Mereka bersambung antara satu sama lain, kerana kuasa padu bertindak ke atas mereka. Daya inilah yang menahan titik-titik dalam orbit bulat. Sekiranya tiada daya padu, titik material badan berputar akan terbang berasingan seperti kotoran terbang dari roda berputar.
Kelajuan linear dan sudut
Contoh gerakan putaran ini membolehkan kita melukis selari lain antara gerakan putaran dan translasi. Semasa gerakan translasi, semua titik badan bergerak pada titik masa tertentu dengan kelajuan linear yang sama. Apabila jasad berputar, semua titiknya bergerak dengan halaju sudut yang sama. Dalam pergerakan putaran, contohnya ialah jejari roda berputar, halaju sudut semua titik jejari berputar akan sama, tetapi halaju linear akan berbeza.
Pecutan tidak dikira
Ingat bahawa dalam gerakan seragam titik di sepanjang bulatan, sentiasa ada pecutan. Pecutan sedemikian dipanggil sentripetal. Ia hanya menunjukkan perubahan dalam arah kelajuan, tetapi tidak mencirikan perubahan dalam modulo kelajuan. Oleh itu, kita boleh bercakap tentang gerakan putaran seragam dengan satu halaju sudut. Dalam kejuruteraan, dengan putaran seragam roda tenaga atau pemutar penjana elektrik, halaju sudut dianggap malar. Hanya bilangan putaran malar penjana boleh memberikan voltan malar dalam rangkaian. Dan bilangan putaran roda tenaga ini menjamin mesin berjalan lancar dan menjimatkan. Kemudian gerakan putaran, contoh yang diberikan di atas, hanya dicirikan oleh halaju sudut, tanpa mengambil kira pecutan sentripetal.
Paksa dan detiknya
Terdapat satu lagi selari antara gerakan translasi dan putaran - dinamik. Menurut undang-undang kedua Newton, pecutan yang diterima oleh jasad ditakrifkan sebagai pembahagian daya yang dikenakan oleh jisim jasad. Semasa putaran, perubahan halaju sudut bergantung kepada daya. Sesungguhnya, apabila mengacaukan nat, peranan penentu dimainkan oleh tindakan putaran daya, dan bukan di mana daya ini digunakan: pada nat itu sendiri atau pada pemegang sepana. Oleh itu, penunjuk daya dalam formula untuk gerakan translasi semasa putaran badan sepadan dengan penunjuk momen daya. Secara visual, ini boleh dipaparkan dalam bentuk jadual.
| Gerakan ke hadapan | Pergerakan putaran |
| Kuasa F |
Momen daya M=Fl, di mana l - kekuatan bahu |
| Kerja A=Fs | Pekerjaan A=Mφ |
| Kuasa N=Fs/t=Fv | Kuasa N=Mφ/t=Mω |
Jisim badan, bentuk dan momen inersia
Jadual di atas tidak membandingkan mengikut formula hukum kedua Newton, kerana ini memerlukan penjelasan tambahan. Formula ini termasuk penunjuk jisim, yang mencirikan tahap inersia badan. Apabila jasad berputar, inersianya tidak dicirikan oleh jisimnya, tetapi ditentukan oleh kuantiti seperti momen inersia. Penunjuk ini secara langsung tidak bergantung pada berat badan tetapi pada bentuknya. Iaitu, penting bagaimana jisim badan diedarkan di angkasa. Badan yang pelbagai bentuk akanmempunyai nilai momen inersia yang berbeza.
Apabila jasad bahan berputar mengelilingi bulatan, momen inersianya akan sama dengan hasil darab jisim jasad berputar dan segi empat sama jejari paksi putaran. Jika titik bergerak dua kali lebih jauh dari paksi putaran, maka momen inersia dan kestabilan putaran akan meningkat empat kali ganda. Itulah sebabnya roda tenaga dibuat besar. Tetapi juga mustahil untuk meningkatkan jejari roda terlalu banyak, kerana dalam kes ini pecutan sentripetal titik rimnya meningkat. Daya paduan molekul yang membentuk pecutan ini mungkin tidak mencukupi untuk mengekalkannya pada laluan bulat, dan roda akan runtuh.
Perbandingan akhir
Apabila melukis selari antara gerakan putaran dan translasi, perlu difahami bahawa semasa putaran, peranan jisim badan dimainkan oleh momen inersia. Kemudian hukum dinamik gerakan putaran, sepadan dengan hukum kedua Newton, akan mengatakan bahawa momen daya adalah sama dengan hasil darab momen inersia dan pecutan sudut.
Kini anda boleh membandingkan semua formula persamaan asas dinamik, momentum dan tenaga kinetik dalam gerakan translasi dan putaran, yang contoh pengiraannya sudah diketahui.
| Gerakan ke hadapan | Pergerakan putaran |
|
Persamaan Asas Dinamik F=ma |
Persamaan Asas Dinamik M=Ią |
|
Impuls p=mv |
Impuls p=Iω |
|
Tenaga kinetik Ek=mv2 / 2 |
Tenaga kinetik Ek=Iω2 / 2 |
Pergerakan progresif dan putaran mempunyai banyak persamaan. Ia hanya perlu untuk memahami bagaimana kuantiti fizik berkelakuan dalam setiap jenis ini. Apabila menyelesaikan masalah, formula yang hampir sama digunakan, perbandingannya diberikan di atas.
