Формула угловой скорости в физике

Содержание:

• Определение и формула угловой скорости
• Равномерное вращение
• Формула, связывающая линейную и угловую скорости
• Единицы измерения угловой скорости
• Примеры решения задач

Определение и формула угловой скорости

Определение

Круговым движением точки вокруг некоторой оси называют движение, при котором траекторией точки является окружность
с центром, который лежит на оси вращения, при этом плоскость окружности перпендикулярна этой оси.

Вращением тела вокруг оси называют движение, при котором все точки тела совершают круговые движения около этой оси.

Перемещение при вращении характеризуют при помощи угла поворота
$(\varphi)$ . Часто используют вектор элементарного поворота
$\bar{d\varphi}$ , который равен по величине элементарному углу поворота тела
$(d \varphi)$ за маленький отрезок времени dt и направлен по мгновенной оси вращения в сторону,
откуда этот поворот виден реализующимся против часовой стрелки. Надо отметить, что только элементарные угловые перемещения являются векторами.
Углы вращения на конечные величины векторами не являются.

Определение

Угловой скоростью называют скорость изменения угла поворота и обозначают ее обычно буквой
$\omega$ . Математически определение угловой скорости записывают так:

$$\bar{\omega}=\frac{d \bar{\varphi}}{d t}=\dot{\bar{\varphi}}(1)$$

Угловая скорость — векторная величина (это аксиальный вектор). Она имеет направление вдоль мгновенной оси вращения совпадающее
с направлением поступательного правого винта, если его вращать в сторону вращения тела (рис.1).

Вектор угловой скорости может претерпевать изменения как за счет изменения скорости вращения тела вокруг оси (изменение модуля угловой скорости),
так и за счет поворота оси вращения в пространстве ($\bar{\omega}$ при этом изменяет направление).

Равномерное вращение

Если тело за равные промежутки времени поворачивается на один и тот же угол,
то такое вращение называют равномерным. При этом модуль угловой скорости находят как:

$$\omega=\frac{\varphi}{t}(2)$$

где $(\varphi)$ – угол поворота, t – время, за которое этот поворот совершён.

Равномерное вращение часто характеризуют при помощи периода обращения (T), который является временем, за которое тело производит один оборот
($\Delta \varphi=2 \pi$). Угловая скорость связана с периодом обращения как:

$$\omega=\frac{2 \pi}{T}(3)$$

С числом оборотов в единицу времени ($\nu) угловая скорость связана формулой:

$$\omega=2 \pi \nu(4)$$

Понятия периода обращения и числа оборотов в единицу времени иногда используют и для описания неравномерного вращения,
но понимают при этом под мгновенным значением T, время за которое тело делало бы один оборот, если бы оно вращалось равномерно
с данной мгновенной величиной скорости.

Формула, связывающая линейную и угловую скорости

Линейная скорость $\bar{v}$ точки А (рис. {3} \approx 20(\mathrm{rad})$$

Ответ. $\varphi = 20$ рад.

Читать дальше: Формула удельного веса.

Угловая скорость и угловое ускорение

Рассмотрим понятия угловой скорости и углового ускорения при вращении твердого тела в теории и на примерах решения задач.

Угловая скорость

Угловой скоростью называют скорость вращения тела, определяющуюся приращением угла поворота тела за некоторый промежуток (единицу) времени.

Обозначение угловой скорости: ω (омега).

Рассмотрим некоторое твердое тело, вращающееся относительно неподвижной оси.

С этим телом свяжем воображаемую плоскость П, которая совершает вращение вместе с заданным телом.

Вращательное движение определяется двугранным углом φ между двумя плоскостями, проходящими через ось вращения. Изменение этого угла с течением времени есть закон вращательного движения:

Положительным считается угол, откладываемый против хода часовой стрелки, если смотреть навстречу выбранному направлению оси вращения Oz. Угол измеряется в радианах.

Быстрота изменения угла φ (перемещения плоскости П из положения П₁ в положение П₂) – это и есть угловая скорость:

Приняв вектор k как единичный орт положительного направления оси, получим:

Вектор угловой скорости – скользящий вектор: он может быть приложен к любой точке оси вращения и всегда направлен вдоль оси, при положительном значении угловой скорости направления ω и k совпадают, при отрицательном – противоположны.

Формулы угловой скорости

Формула для расчета угловой скорости в зависимости от заданных параметров вращения может иметь вид:

1. если известно количество оборотов n за единицу времени t:
2. если задан угол поворота φ за единицу времени:
3. если известна окружная скорость точки тела v и расстояние от оси вращения до этой точки r:

Размерности угловой скорости:

• Количество оборотов за единицу времени [об/мин], [c^-1].
• Угол поворота за единицу времени [рад/с].

Определение угловой скорости

Пример: Диск вращается относительно своего центра.
Известна скорость v некоторой точки A, расположенной на расстоянии r от центра вращения диска.

Определить величину и направление угловой скорости диска ω, если v = 5 м/с, r = 70 см.

Таким образом, угловая скорость диска составляет 7,14 оборотов в секунду. Направление угловой скорости можно определить по направлению скоростей её точек.

Вектор скорости точки A стремится повернуть диск относительно центра вращения против хода часовой стрелки, следовательно, направление угловой скорости вращения диска имеет такое же направление.

Другие примеры решения задач >

Угловое ускорение

Угловое ускорение характеризует величину изменения угловой скорости при вращении твердого тела:

Обозначение: ε (Эпсилон)

Единицы измерения углового ускорения: [рад/с²], [с^-2]

Вектор углового ускорения так же направлен по оси вращения. При ускоренном вращении их направления совпадают, при замедленном — противоположны.

Другими словами, при положительном ускорении угловая скорость нарастает (вращение ускоряется), а при отрицательном — уменьшается (вращение замедляется).

Для некоторых частных случаев вращательного движения твердого тела могут быть использованы формулы:

• равномерное вращение (ω — const)
• равнопеременное вращение (ε — const)

Расчет углового ускорения

Пример: По заданному значению касательной составляющей полного ускорения a_τ точки B, расположенной на расстоянии r от центра вращения колеса.

Требуется определить величину и направление углового ускорения колеса ε, если a_τ = 10 м/с², r = 50 см.

Угловое ускорение колеса в заданный момент времени составляет 20 оборотов за секунду в квадрате. Направление углового ускорения определяется по направлению тангенциального ускорения точки.

Здесь, угловое ускорение направлено противоположно направлению угловой скорости вращения колеса. Это означает, что вращение колеса замедляется.

В технике угловая скорость часто задается в оборотах в минуту n [об/мин]. Один оборот – это 2π радиан:

Например, тело совершающее 1,5 оборота за одну секунду имеет угловую скорость

ω = 1,5 с^-1 = 9,42 рад/с.

Смотрите также:

• Примеры расчета угловой скорости и ускорения
• Скорости и ускорения точек вращающегося тела

Сохранить или поделиться с друзьями

Вы находитесь тут:

На нашем сайте Вы можете получить решение задач и онлайн помощь

Подробнее

Стоимость мы сообщим в течение 5 минут
на указанный вами адрес электронной почты.
Если стоимость устроит вы сможете оформить заказ.

НАБОР СТУДЕНТА ДЛЯ УЧЁБЫ

На нашем сайте можно бесплатно скачать:

— Рамки A4 для учебных работ
— Миллиметровки разного цвета
— Шрифты чертежные ГОСТ
— Листы в клетку и в линейку

Сохранить или поделиться с друзьями

Заказать решение

Поиск формул и решений задач

Угол поворота и угловая скорость

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определять длину дуги, угол поворота, радиус кривизны и угловую скорость.
• Рассчитайте угловую скорость вращения колеса автомобиля.

В кинематике мы изучали движение по прямой и ввели такие понятия, как перемещение, скорость и ускорение. Двумерная кинематика имеет дело с движением в двух измерениях. Движение снаряда — это частный случай двумерной кинематики, в котором объект проецируется в воздух, подвергаясь действию силы гравитации, и приземляется на расстоянии. В этой главе мы рассмотрим ситуации, когда объект не приземляется, а движется по кривой. Начнем изучение равномерного кругового движения с определения двух угловых величин, необходимых для описания вращательного движения.

Угол поворота

Когда объекты вращаются вокруг некоторой оси — например, когда CD (компакт-диск) на рис. 1 вращается вокруг своего центра, — каждая точка объекта движется по дуге окружности. Рассмотрим линию от центра компакт-диска к его краю. Каждая яма , используемая для записи звука вдоль этой линии, перемещается под одним и тем же углом за одно и то же время. Угол поворота представляет собой величину поворота и аналогичен линейному расстоянию. Определим угол поворота Δ θ как отношение длины дуги к радиусу кривизны: [латекс]\displaystyle\Delta\theta=\frac{\Delta{s}}{r}\\[/latex]

Рисунок 1. Все точки на компакт-диске движутся по дугам окружности. Все ямы вдоль линии от центра к краю перемещаются на один и тот же угол Δθ за время Δt .

Рис. 2. Радиус окружности повернут на угол Δθ . Длина дуги Δs описана на окружности.

длина дуги   Δs  это расстояние, пройденное по круговому пути, как показано на рисунке 2. Обратите внимание, что r  – это радиус кривизны кругового пути.

Мы знаем, что для одного полного оборота длина дуги равна длине окружности радиусом r . Длина окружности равна 2π r . Таким образом, для одного полного оборота угол поворота равен

[латекс]\displaystyle\Delta\theta=\frac{2\pi{r}}{r}=2\pi\\[/latex].

Этот результат является основой для определения единиц, используемых для измерения углов поворота, Δ θ до радиан  (рад), определенных таким образом, что 2π рад = 1 оборот.

Сравнение некоторых полезных углов, выраженных как в градусах, так и в радианах, показано в таблице 1.

Рис. 3. Точки 1 и 2 поворачиваются на один и тот же угол (Δθ), но точка 2 перемещается по большей дуге (Δs), поскольку находится на большем расстоянии от центра вращения (r). 9{\circ}\\[/латекс].

Угловая скорость

Как быстро вращается объект? Мы определяем угловую скорость ω как скорость изменения угла. В символах это [латекс]\omega=\frac{\Delta\theta}{\Delta{t}}\\[/latex], где угловой поворот Δ θ происходит за время Δ t . Чем больше угол поворота за данный промежуток времени, тем больше угловая скорость. Единицами угловой скорости являются радианы в секунду (рад/с).

Угловая скорость ω аналогична линейной скорости v . Чтобы получить точное соотношение между угловой и линейной скоростью, мы снова рассмотрим ямку на вращающемся компакт-диске. Эта яма движется по дуге длиной Δ с за время Δ t , поэтому она имеет линейную скорость [latex]v=\frac{\Delta{s}}{\Delta{t}}\\[/ латекс].

Из [латекс]\Delta\theta=\frac{\Delta{s}}{r}\\[/latex] мы видим, что Δ s  = r Δ θ . Подставляя это в выражение для v дает [латекс]v=\frac{r\Delta\theta}{\Delta{t}}=r\omega\\[/latex].

Мы запишем это отношение двумя разными способами и получим два разных понимания:

[latex]v=r\omega\text{ или }\omega\frac{v}{r}\\[/latex].

Первое соотношение в [latex]v=r\omega\text{ или }\omega\frac{v}{r}\\[/latex] утверждает, что линейная скорость v пропорциональна расстоянию от центр вращения, таким образом, он является наибольшим для точки на ободе (наибольшая r ), как и следовало ожидать. Мы также можем назвать эту линейную скорость v точки на ободе тангенциальной скоростью . Второе соотношение в [latex]v=r\omega\text{ или }\omega\frac{v}{r}\\[/latex] можно проиллюстрировать, рассмотрев шину движущегося автомобиля. Обратите внимание, что скорость точки на ободе шины равна скорости автомобиля v . См. рис. 4. Таким образом, чем быстрее движется автомобиль, тем быстрее вращается шина — большие против означают большие ω , потому что v = rω . Точно так же шина большего радиуса, вращающаяся с той же угловой скоростью ( ω ), будет производить большую линейную скорость ( v ) для автомобиля.

Рис. 4. Автомобиль, движущийся со скоростью v вправо, имеет шину, вращающуюся с угловой скоростью ω. Скорость протектора шины относительно оси равна v , такая же, как если бы автомобиль были подняты. Таким образом, автомобиль движется вперед с линейной скоростью v = r ω, где r — радиус шины. Большая угловая скорость шины означает большую скорость автомобиля.

Пример 1. Как быстро вращается автомобильная шина?

Рассчитайте угловую скорость автомобильной шины радиусом 0,300 м, когда автомобиль движется со скоростью 15,0 м/с (около 54 км/ч). См. рис. 4.

Стратегия

Поскольку линейная скорость обода шины равна скорости автомобиля, мы имеем v = 15,0 м/с. Радиус шины равен 9.0017 r = 0,300 м. Зная v и r , мы можем использовать второе соотношение в [latex]v=r\omega\text{ или }\omega\frac{v}{r}\\[/latex] для вычисления угловой скорости .

Решение

Для расчета угловой скорости мы будем использовать следующую зависимость: [латекс]\омега\фрак{в}{г}\\[/латекс].

Подстановка известных,

[латекс]\omega=\frac{15,0 \text{ м/с}}{0,300\text{ м}}=50,0\text{ рад/с}\\[/latex].

Обсуждение

Если мы отменим единицы измерения в приведенном выше расчете, мы получим 50,0/с. Но угловая скорость должна иметь единицы рад/с. Поскольку радианы на самом деле безразмерны (радианы определяются как отношение расстояния), мы можем просто вставить их в ответ для угловой скорости. Также обратите внимание, что если бы землеройная машина с гораздо большими шинами, скажем, радиусом 1,20 м, двигалась с той же скоростью 15,0 м/с, ее шины вращались бы медленнее. У них будет угловая скорость [латекс]\omega=\frac{15,0\text{ м/с}}{1,20\text{ м}}=12,5\text{ рад/с}\\[/latex].

Оба ω и v имеют направления (следовательно, они являются угловой и линейной скоростями , соответственно). Угловая скорость имеет только два направления относительно оси вращения — либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Линейная скорость касается траектории, как показано на рис. 5.

Самостоятельный эксперимент

Привяжите объект к концу веревки и раскачивайте его по горизонтальному кругу над головой (раскачивая на запястье). Поддерживайте постоянную скорость при раскачивании объекта и измеряйте угловую скорость движения. Какова примерная скорость объекта? Определите точку рядом с вашей рукой и выполните соответствующие измерения, чтобы рассчитать линейную скорость в этой точке. Определите другие круговые движения и измерьте их угловые скорости.

Рис. 5. Поскольку объект движется по кругу, здесь муха на краю старой виниловой пластинки, ее мгновенная скорость всегда касается окружности. Направление угловой скорости в этом случае – по часовой стрелке.

Исследования PhET: Революция божьей коровки

Присоединяйтесь к божьей коровке в исследовании вращательного движения. Вращайте карусель, чтобы изменить ее угол, или выберите постоянную угловую скорость или угловое ускорение. Узнайте, как круговое движение связано с ошибкой x ,  y положение, скорость и ускорение с использованием векторов или графиков.

Нажмите, чтобы скачать. Запуск с использованием Java.

Резюме раздела

• Равномерное круговое движение — это движение по окружности с постоянной скоростью. Угол поворота [латекс]\Delta\theta\\[/latex] определяется как отношение длины дуги к радиусу кривизны: [latex]\Delta\theta=\frac{\Delta{s}}{r }\\[/latex], где длина дуги Δ с — это расстояние, пройденное по круговой траектории, а 9{\circ}\\[/латекс].
• Угловая скорость ω — скорость изменения угла, [латекс]\omega=\frac{\Delta\theta}{\Delta{t}}\\[/latex], где вращение [латекс]\Delta\ theta\\[/latex] происходит во времени [latex]\Delta{t}\\[/latex]. Единицами угловой скорости являются радианы в секунду (рад/с). Линейная скорость v и угловая скорость ω связаны соотношением [latex]v=\mathrm{r\omega }\text{ или }\omega =\frac{v}{r}\text{. }[/latex]

Концептуальные вопросы

1. Существует аналогия между вращательными и линейными физическими величинами. Какие вращательные величины аналогичны расстоянию и скорости?

Задачи и упражнения

1. Полуприцепы имеют одометр на одной ступице колеса прицепа. Ступица утяжелена, чтобы не вращаться, но содержит шестерни для подсчета количества оборотов колеса — затем она рассчитывает пройденное расстояние. Если колесо имеет диаметр 1,15 м и совершает 200 000 оборотов, сколько километров должен показывать одометр?
2. Микроволновые печи вращаются со скоростью около 6 об/мин. Что это в оборотах в секунду? Какова угловая скорость в радианах в секунду?
3. Автомобиль с шинами радиусом 0,260 м проезжает 80 000 км, прежде чем они изнашиваются. Сколько оборотов делают шины, если не принимать во внимание заднее движение и изменение радиуса из-за износа?
4. а) Каков период вращения Земли в секундах? б) Какова угловая скорость Земли? (c) Учитывая, что Земля имеет радиус [латекс]6,4\times{10}^6\text{ м}\\[/латекс] на экваторе, какова линейная скорость на поверхности Земли?
5. Бейсбольный питчер вытягивает руку вперед во время подачи, вращая предплечье вокруг локтя. Если скорость мяча в руке питчера 35,0 м/с, а мяч находится на расстоянии 0,300 м от локтевого сустава, какова угловая скорость предплечья?
6. В лакроссе мяч выбрасывается из сетки на конце клюшки путем вращения клюшки и предплечья вокруг локтя. Если угловая скорость мяча относительно локтевого сустава равна 30,0 рад/с, а мяч находится на расстоянии 1,30 м от локтевого сустава, какова скорость мяча?
7. Грузовик с шинами радиусом 0,420 м движется со скоростью 32,0 м/с. Какова угловая скорость вращающихся шин в радианах в секунду? Что это в об/мин?
8. Интегрированные концепции. При ударе по футбольному мячу бьющий игрок вращает ногой вокруг тазобедренного сустава. (a) Если скорость носка ботинка игрока составляет 35,0 м/с, а тазобедренный сустав находится на расстоянии 1,05 м от носка ботинка, какова угловая скорость носка ботинка? (b) Башмак находится в контакте с изначально неподвижным футбольным мячом массой 0,500 кг в течение 20,0 мс. Какая средняя сила действует на футбольный мяч, чтобы придать ему скорость 20,0 м/с? в) Найдите максимальную дальность полета мяча, пренебрегая сопротивлением воздуха.
9. Создайте свою собственную задачу.  Рассмотрите аттракцион в парке развлечений, в котором участники вращаются вокруг вертикальной оси в цилиндре с вертикальными стенками. Как только угловая скорость достигает своего полного значения, пол опускается, и трение между стенами и наездниками препятствует их скольжению вниз. Составьте задачу, в которой вы вычисляете необходимую угловую скорость, которая гарантирует, что всадники не соскользнут со стены. Включите бесплатную схему тела одного гонщика. Среди переменных, которые следует учитывать, — радиус цилиндра и коэффициент трения между одеждой всадника и стеной.

Глоссарий

длина дуги: Δ s , расстояние, пройденное объектом по круговой траектории

яма:  крошечная выемка на спиральной дорожке, отформованная в верхней части поликарбонатного слоя CD

угол поворота:  отношение длины дуги к радиусу кривизны на круговой траектории: [латекс]\Delta\theta=\frac{\Delta{s}}{r}\\[/latex]

радиус кривизны: радиус кругового пути

радианы: единица измерения угла

угловая скорость: ω, скорость изменения угла, с которым объект движется по круговой траектории км

3,5 × 10 ⁷ оборотов

5,117 рад/с

7,76,2 рад/с; 728 об/мин

8. (а) 33,3 рад/с; (б) 500 Н; (c) 40,8 м

6.1 Угол поворота и угловая скорость – Колледж Физика 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Задайте длину дуги, угол поворота, радиус кривизны и угловую скорость.
• Рассчитайте угловую скорость вращения колеса автомобиля.

В кинематике мы изучали движение по прямой и ввели такие понятия, как перемещение, скорость и ускорение. Двумерная кинематика имеет дело с движением в двух измерениях. Движение снаряда — это частный случай двумерной кинематики, в котором объект проецируется в воздух, подвергаясь действию силы гравитации, и приземляется на расстоянии. В этой главе мы рассмотрим ситуации, когда объект не приземляется, а движется по кривой. Начнем изучение равномерного кругового движения с определения двух угловых величин, необходимых для описания вращательного движения.

Угол поворота

Когда объекты вращаются вокруг некоторой оси — например, когда CD (компакт-диск) на рис. 6.2 вращается вокруг своего центра — каждая точка объекта движется по дуге окружности. Рассмотрим линию от центра компакт-диска к его краю. Каждая яма, используемая для записи звука вдоль этой линии, проходит под одним и тем же углом за одно и то же время. Угол поворота представляет собой величину поворота и аналогичен линейному расстоянию. Определим угол поворота ΔθΔθ как отношение длины дуги к радиусу кривизны:

Δθ=Δср.Δθ=Δср.

6.1

Рисунок
6.2

Все точки на компакт-диске движутся по дугам окружности. Ямки вдоль линии от центра к краю все перемещаются на один и тот же угол ΔθΔθ за время ΔtΔt.

Рисунок
6.3

Радиус окружности повернут на угол ΔθΔθ. Длина дуги ΔsΔs описана на окружности.

Длина дуги ΔsΔs — это расстояние, пройденное по круговому пути, как показано на рис. 6.3. Обратите внимание, что rr — это радиус кривизны кругового пути.

Мы знаем, что для одного полного оборота длина дуги равна длине окружности радиуса rr. Длина окружности равна 2πr2πr. Таким образом, за один полный оборот угол поворота равен

Δθ=2πrr=2π.Δθ=2πrr=2π.

6,2

Этот результат является основой для определения единиц, используемых для измерения углов поворота, ΔθΔθ – радианы (рад), определенные таким образом, что

2πрад = 1 оборот. 2πрад = 1 оборот.

6.3

Сравнение некоторых полезных углов, выраженных как в градусах, так и в радианах, показано в таблице 6.1.

Стол
6. 1

Сравнение угловых единиц

Рисунок
6.4

Точки 1 и 2 поворачиваются на один и тот же угол (ΔθΔθ), но точка 2 перемещается на большую длину дуги ΔsΔs, поскольку она находится на большем расстоянии от центра вращения (r)(r).

Если Δθ=2πΔθ=2π рад, то компакт-диск совершил один полный оборот, и каждая точка на компакт-диске вернулась в исходное положение. Поскольку в окружности или одном обороте 360º360º, отношение между радианами и градусами будет таким образом: .3º.

6,5

Угловая скорость

Как быстро вращается объект? Мы определяем угловую скорость ωω как скорость изменения угла. В символах это

ω=ΔθΔt,ω=ΔθΔt,

6.6

где угловой поворот ΔθΔθ происходит за время ΔtΔt. Чем больше угол поворота за данный промежуток времени, тем больше угловая скорость. Единицами угловой скорости являются радианы в секунду (рад/с).

Угловая скорость ωω аналогична линейной скорости vv. Чтобы получить точное соотношение между угловой и линейной скоростью, мы снова рассмотрим ямку на вращающемся компакт-диске. Эта яма перемещается на длину дуги ΔsΔs за время ΔtΔt, поэтому она имеет линейную скорость

v=ΔsΔt.v=ΔsΔt.

6,7

Из Δθ=ΔsrΔθ=Δsr мы видим, что Δs=rΔθΔs=rΔθ. Подстановка этого в выражение для vv дает

v=rΔθΔt=rω.v=rΔθΔt=rω.

6,8

Мы запишем это отношение двумя разными способами и получим два разных понимания:

v=rω или ω=vr.v=rω или ω=vr.

6,9

Первое соотношение в v=rω или ω=vrv=rω или ω=vr утверждает, что линейная скорость vv пропорциональна расстоянию от центра вращения, поэтому она наибольшая для точки на ободе (самый большой rr), как и следовало ожидать. Мы также можем назвать эту линейную скорость vv точки на ободе тангенциальная скорость . Второе соотношение в v=rω или ω=vrv=rω или ω=vr можно проиллюстрировать на примере шины движущегося автомобиля. Обратите внимание, что скорость точки на ободе шины равна скорости vv автомобиля. См. рисунок 6.5. Таким образом, чем быстрее движется автомобиль, тем быстрее вращается шина — большое vv означает большое ωω, потому что v=rωv=rω. Точно так же шина большего радиуса, вращающаяся с той же угловой скоростью (ωω), будет производить большую линейную скорость (vv) автомобиля.

Рисунок
6,5

Автомобиль, движущийся со скоростью vv вправо, имеет шину, вращающуюся с угловой скоростью ωω. Скорость протектора шины относительно оси равна vv, как если бы автомобиль был поднят домкратом. Таким образом, автомобиль движется вперед с линейной скоростью v=rωv=rω, где rr — радиус шины. Большая угловая скорость шины означает большую скорость автомобиля.

Пример
6.1

Как быстро вращается автомобильная шина?

Рассчитайте угловую скорость автомобильной шины радиусом 0,300 м, когда автомобиль движется со скоростью 15,0 м/с15,0 м/с (около 54 км/ч54 км/ч). См. рисунок 6.5.

Стратегия

Поскольку линейная скорость обода шины равна скорости автомобиля, мы имеем
v=15,0 м/с. v=15,0 м/с.
Радиус шины принимается равным
r=0,300 м. r=0,300 м. Зная
vv и rr, мы можем использовать второе соотношение в v=rω, ω=vrv=rω, ω=vr для вычисления угловой скорости.

Решение

Для расчета угловой скорости воспользуемся следующим соотношением:

ω=vr.ω=vr.

6.10

Подставляя известные,

ω=15,0м/с0,300м=50,0рад/с.ω=15,0м/с0,300м=50,0рад/с.

6.11

Обсуждение

Когда мы исключаем единицы в приведенном выше расчете, мы получаем 50,0/с. Но угловая скорость должна иметь единицы рад/с. Поскольку радианы на самом деле безразмерны (радианы определяются как отношение расстояния), мы можем просто вставить их в ответ для угловой скорости. Также обратите внимание, что если бы землеройная машина с гораздо большими шинами, скажем, радиусом 1,20 м, двигалась с той же скоростью 15,0 м/с, ее шины вращались бы медленнее. Они будут иметь угловую скорость

ω=(15,0 м/с)/(1,20 м)=12,5 рад/с. ω=(15,0 м/с)/(1,20 м)=12,5 рад/с.

6.12

И ωω, и vv имеют направления (следовательно, они являются угловой и линейной скоростями , соответственно). Угловая скорость имеет только два направления относительно оси вращения — либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Линейная скорость касается траектории, как показано на рис. 6.6.

Домашний эксперимент

Привяжите предмет к концу веревки и раскачивайте его по горизонтальному кругу над головой (раскачивая на запястье). Поддерживайте постоянную скорость при раскачивании объекта и измеряйте угловую скорость движения. Какова примерная скорость объекта? Определите точку рядом с вашей рукой и выполните соответствующие измерения, чтобы рассчитать линейную скорость в этой точке. Определите другие круговые движения и измерьте их угловые скорости.