| Угловая скорость | |
|---|---|
 |
|
| Размерность | T −1 |
| Единицы измерения | |
| СИ | рад/с |
| СГС | рад/с |
| Другие единицы |
градус/с об/с об/мин |
Углова́я ско́рость — векторная величина, характеризующая быстроту и направление вращения материальной точки или абсолютно твёрдого тела относительно оси вращения. Модуль угловой скорости для вращательного движения совпадает с мгновенной угловой частотой вращения, а направление перпендикулярно плоскости вращения и связано с направлением вращения правилом правого винта. Строго говоря, угловая скорость представляется псевдовектором (аксиальным вектором), и может быть также представлена в виде кососимметрического тензора[1].
Угловая скорость в двухмерном пространстве[править | править код]
|
|
Этот раздел статьи ещё не написан. Здесь может располагаться отдельный раздел. Помогите Википедии, написав его. (31 августа 2016) |
Векторное представление в трёхмерном пространстве[править | править код]
В трёхмерном пространстве вектор угловой скорости по величине равен углу поворота точки вокруг центра вращения за единицу времени:
а направлен по оси вращения согласно правилу буравчика, то есть в ту сторону, в которую ввинчивался бы буравчик или винт с правой резьбой, если бы вращался в эту сторону. Другой мнемонический подход для запоминания взаимной связи между направлением вращения и направлением вектора угловой скорости состоит в том, что для условного наблюдателя, находящегося на конце вектора угловой скорости, выходящего из центра вращения, само вращение выглядит происходящим против часовой стрелки.
Угловая скорость является аксиальным вектором (псевдовектором). При отражении осей системы координат компоненты обычного вектора (например, радиус-вектора точки) меняют знак. В то же время компоненты псевдовектора (в частности, угловой скорости) при таком преобразовании координат остаются прежними.
Тензорное представление[править | править код]
|
|
Этот раздел статьи ещё не написан. Здесь может располагаться отдельный раздел. Помогите Википедии, написав его. (31 августа 2016) |
Единицы измерения[править | править код]
Единица измерения угловой скорости, принятая в Международной системе единиц (СИ) и в системах СГС и МКГСС, — радиан в секунду (русское обозначение: рад/с, международное: rad/s)[2][Комм 1]. В технике также используются обороты в секунду, намного реже — градусы, минуты, секунды дуги в секунду, грады в секунду. Часто в технике используют обороты в минуту — это идёт с тех времён, когда частоту вращения тихоходных паровых машин определяли просто на глаз, подсчитывая число оборотов за единицу времени.
Свойства[править | править код]
Угловая скорость (синяя стрелка) в полторы единицы по часовой стрелке
Угловая скорость (синяя стрелка) в одну единицу против часовой стрелки (вектор угловой скорости направлен навстречу направлению взгляда наблюдателя)
Вектор мгновенной скорости любой точки абсолютно твёрдого тела, вращающегося с угловой скоростью 
, определяется формулой:
![{vec v}=[ {vec omega },{vec r} ],](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cf77d103c0490cb68964169060fade3d70aeecab)
где 
— радиус-вектор к данной точке из начала координат, расположенного на оси вращения тела, а квадратными скобками обозначено векторное произведение. Линейную скорость (совпадающую с модулем вектора скорости) точки на определённом расстоянии (радиусе) 
от оси вращения можно считать так: 
Если вместо радианов применять другие единицы измерения углов, то в двух последних формулах появится множитель, не равный единице.
- В случае плоского вращения, то есть когда все векторы скоростей точек тела всегда лежат в одной плоскости («плоскости вращения»), угловая скорость тела всегда перпендикулярна этой плоскости, и по сути — если плоскость вращения заведомо известна — может быть заменена скаляром — проекцией на ось вращения, то есть на прямую, ортогональную плоскости вращения. В этом случае кинематика вращения сильно упрощается. Однако в общем случае угловая скорость может менять со временем направление в трёхмерном пространстве, и такая упрощенная картина не работает.
- Движение с постоянным вектором угловой скорости называется равномерным вращательным движением (в этом случае угловое ускорение равно нулю). Равномерное вращение является частным случаем плоского вращения.
- Производная угловой скорости по времени есть угловое ускорение.
- Угловая скорость (рассматриваемая как свободный вектор) одинакова во всех инерциальных системах отсчёта, отличающихся положением начала отсчёта и скоростью его движения, но двигающихся равномерно прямолинейно и поступательно друг относительно друга. Однако в этих инерциальных системах отсчёта может различаться положение оси или центра вращения одного и того же конкретного тела в один и тот же момент времени (то есть будет различной «точка приложения» угловой скорости).
- В случае движения точки в трёхмерном пространстве можно написать выражение для угловой скорости этой точки относительно выбранного начала координат:
где — радиус-вектор точки (из начала координат), — скорость этой точки, — векторное произведение, — скалярное произведение векторов. Однако эта формула не определяет угловую скорость однозначно (в случае единственной точки можно подобрать и другие векторы подходящие по определению, по-другому — произвольно — выбрав направление оси вращения), а для общего случая (когда тело включает более одной материальной точки) — эта формула не верна для угловой скорости всего тела (так как даёт разные для каждой точки, а при вращении абсолютно твёрдого тела вектора угловой скорости вращения всех его точек совпадают). Однако в двумерном случае (случае плоского вращения) эта формула вполне достаточна, однозначна и корректна, так как в этом частном случае направление оси вращения заведомо однозначно определено.
- В случае равномерного вращательного движения (то есть движения с постоянным вектором угловой скорости) абсолютно твёрдого тела декартовы координаты точек вращающегося так тела совершают гармонические колебания с угловой (циклической) частотой, равной модулю вектора угловой скорости.
Связь с конечным поворотом в пространстве[править | править код]
Примечания[править | править код]
Комментарии[править | править код]
- ↑ Плоский угол, определяемый как отношение длины дуги окружности, заключённой между двумя радиусами, к длине радиуса, безразмерен, поэтому единицей измерения плоских углов является число «один», а единицей измерения угловой скорости в системе СИ — с−1. Однако, в случае плоских углов единице «один» присвоено специальное наименование «радиан» для того, чтобы в каждом конкретном случае облегчить понимание того, какая именно физическая величина имеется в виду[3].
Источники[править | править код]
- ↑ Ишлинский А. Ю. Классическая механика и силы инерции / Отв. ред. Б. В. Раушенбах. — М.: «Наука», 1987. — С. 239.
- ↑ Деньгуб В. М., Смирнов В. Г. Единицы величин. Словарь-справочник. — М.: Издательство стандартов, 1990. — С. 98. — 240 с. — ISBN 5-7050-0118-5.
- ↑ Units for dimensionless quantities, also called quantities of dimension one (англ.). SI Brochure: The International System of Units (SI). Международное бюро мер и весов (2006; обновлено в 2014). Дата обращения: 2016-1-29.
См. также[править | править код]
- Угловая частота
- Угловое ускорение
- Момент импульса
Литература[править | править код]
- Лурье А. И. Аналитическая механика. — М.: ГИФМЛ, 1961. — С. 100-136. — 824 с.
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
$bar{dvarphi}$ , 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.1), которая расположена
на расстоянии R от оси вращения связана с вектором угловой скорости следующим векторным произведением:
$$bar{v}=[bar{omega} bar{R}](5)$$
где $bar{R}$ – перпендикулярная к оси вращения компонента радиус-вектора точки
$A (bar{r})$ (рис.1). Вектор
$bar{r}$ проводят от точки, находящейся на оси вращения к рассматриваемой точке.
Единицы измерения угловой скорости
Основной единицей измерения угловой скорости в системе СИ является: [$omega$]=рад/с
В СГС: [$omega$]=рад/с
Примеры решения задач
Пример
Задание. Движение тела с неподвижной осью задано уравнением
$varphi=2 t-4 t^{3}$,
$(varphi)$ в рад, t в сек.
Начало вращения при t=0 c. Положительным считают углы указанные направлением стрелки (рис.2). В каком направлении (
относительно часовой стрелки поворачивается тело) в момент времени t=0,5 c.
Решение. Для нахождения модуля угловой скорости применим формулу:
$$omega=frac{d varphi}{d t}(1.1)$$
Используем заданную в условии задачи функцию
$varphi(t)$, возьмем производную от нее по времени, получим функцию
$omega(t)$:
$$omega(t)=2-8 t^{2}(1.2)$$
Вычислим, чему будет равна угловая скорость в заданный момент времени (при t=0,5 c):
$$omega(t)=2-8(0,5)^{2}=0left(frac{r a d}{c}right)$$
Ответ. В заданный момент времени тело имеет угловую скорость равную нулю, следовательно, она останавливается.
236
проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности
Мы помогли уже 4 396 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
Пример
Задание. Скорости вращения тела заданы системой уравнений:
$$left{begin{array}{c}bar{omega}_{1}=t^{2 bar{i}} \ bar{omega}_{2}=2 t^{2} bar{j}end{array}right.$$
где $bar{i}$ и
$bar{j}$ – единичные ортогональные векторы. На какой угол $(varphi)$ поворачивается тело за время равное 3 с?
Решение. Определим, какова функция, которая связывает модуль скорости вращения тела и время (t)
($omega(t)$). Так как вектора
$bar{i}$ и
$bar{j}$ перпендикулярны друг другу, значит:
$$omega=sqrt{omega_{1}^{2}+omega_{2}^{2}}=sqrt{left(t^{2}right)^{2}+left(2 t^{2}right)^{2}}=t^{2} sqrt{5}(2.2)$$
Модуль угловой скорости связан с углом поворота как:
$$omega=frac{d varphi}{d t}(2.3)$$
Следовательно, угол поворота найдем как:
$$varphi=int_{t_{1}}^{t_{2}} omega d t=int_{0}^{3} t^{2} sqrt{5} d t=left.sqrt{5} frac{t^{3}}{3}right|_{0} ^{3} approx 20(mathrm{rad})$$
Ответ. $varphi = 20$ рад.
Читать дальше: Формула удельного веса.
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:
- если известно количество оборотов n за единицу времени t:
- если задан угол поворота φ за единицу времени:
- 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:
Расчет углового ускорения
Пример: По заданному значению касательной составляющей полного ускорения aτ точки B, расположенной на расстоянии r от центра вращения колеса.
Требуется определить величину и направление углового ускорения колеса ε, если aτ = 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
Что такое угловая скорость
Угловая скорость (обозначается как (omega)) — векторная величина, характеризующая скорость и направление изменения угла поворота со временем.
Модуль угловой скорости для вращательного движения совпадает с мгновенной угловой частотой вращения, а направление перпендикулярно плоскости вращения и связано с направлением вращения правилом правого винта.
Единица измерения
В Международной системе единиц (СИ) принятой единицей измерения угловой скорости является радиан в секунду (рад/с)
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Формула угловой скорости
Вектор угловой скорости определяется отношением угла поворота ((varphi)) к интервалу времени ((mathcal t)), за которое произошел поворот:
(omega=frac{trianglevarphi}{trianglemathcal t})
Зависимость угловой скорости от времени
Зависимость (varphi ) от (mathcal t) наглядно показана на графике:
Угол, на который повернулось тело, характеризуется площадью под кривой.
Угловая скорость вращения, формула
Через частоту
(omega=2pimathcal n)
(mathcal n) — частота вращения ((1/с))
(pi) — число Пи ((approx 3,14))
(mathcal n=frac1T)
(T )— период вращения (время, за которое тело совершает один оборот)
Через радиус
(omega=frac vR)
(v) — линейная скорость(м/с)
(R) — радиус окружности (м)
Как определить направление угловой скорости
Направление скорости в физике можно определять двумя способами:
- Правило буравчика. Буравчик имеет правую резьбу (вращательное движение вправо при закручивании). Если вращать буравчик в направлении вращения тела, он будет завинчиваться (или вывинчиваться) в ту сторону, куда направлена угловая скорость.
- Правило правой руки. Представим, что взяли тело в правую руку. Следует направлять и вращать его туда, куда указывают четыре пальца. Отведенный в сторону большой палец покажет направление угловой скорости при этом вращении.
Связь линейной и угловой скорости
Линейная скорость ((v)) тела, расположенного на расстоянии (R) от оси вращения, прямо пропорциональна угловой скорости.
(v=Romega)
(R) — радиус окружности (м)
Чему равна мгновенная угловая скорость
Мгновенную угловую скорость нужно находить как предел, к которому стремится средняя угловая скорость при (trianglemathcal trightarrow0) :
(omega=lim_{trianglerightarrow0}frac{trianglevarphi}{trianglemathcal t})
Измеряется в рад/с
Определение угловой скорости
Угловая скорость — важное физическое понятие, применяемое к объектам, движущимся по круговой траектории. В этой статье будет рассмотрено понятие угловой скорости и ее связь с линейной скоростью.
Что такое угловая скорость?
В этом разделе вы поймете угловую скорость и ее роль во вращательном движении.
Чтобы понять угловую скорость, нужно понять, что такое вращение. Чтобы помочь вам с вашим пониманием, давайте рассмотрим ветряную мельницу. Ветряная мельница представляет собой твердое тело, вращающееся вокруг неподвижной оси. Ветряная мельница совершает вращательное движение, когда лопасти ветряной мельницы вращаются вокруг оси, проходящей через ротор. Скорость, связанная с твердыми телами, когда они вращаются вокруг фиксированной оси, называется угловой скоростью.
Определение угловой скорости
В физике мы определяем угловую скорость следующим образом:
Угловая скорость — это векторная мера скорости вращения, которая относится к тому, насколько быстро объект вращается относительно другой точки.
Проще говоря, угловая скорость — это скорость, с которой объект вращается вокруг оси. Угловая скорость обозначается греческой буквой омега (ω, иногда Ω). Измеряется в углах в единицу времени; следовательно, единицей угловой скорости в СИ является радиан в секунду. Размерная формула угловой скорости [M 0 L 0 T -1 ].
Для объекта, вращающегося вокруг оси, каждая точка объекта имеет одинаковую угловую скорость. Но точки, расположенные дальше от оси вращения, движутся с другой тангенциальной скоростью, чем точки, расположенные ближе к оси вращения. Угловая скорость также известна как скорость вращения и вектор угловой частоты.
Формула угловой скорости
Поскольку угловая скорость объекта представляет собой угловое смещение объекта во времени, угловая скорость выражается следующим образом:
begin{array}{l}omega =frac{Theta }{t}end{array}
Где ω — угловая скорость, θ — угловое смещение, t — изменение во времени t.
По соглашению, положительная угловая скорость указывает на вращение против часовой стрелки, а отрицательная – по часовой стрелке.
Средняя угловая скорость
Средняя угловая скорость вращающегося твердого тела есть отношение углового смещения к интервалу времени.
begin{array}{l}omega _{avg}=frac{Delta Theta }{Delta t}=frac{Theta_{2}-Theta_{1} }{t_{1}-t_{2}}end{array}
Мгновенная угловая скорость
Мгновенная угловая скорость определяется как предел средней угловой скорости при приближении интервала времени к нулю.
begin{array}{l}omega_{ins}=lim_{Delta trightarrow 0}frac{Delta Theta }{Delta t}=frac{dTheta }{dt}end{array}
Нахождение направления угловой скорости
Направление угловой скорости трудно отследить, потому что точка на вращающемся объекте постоянно меняет направление. Ось вращающегося объекта — единственная точка, в которой объект имеет фиксированное направление. С помощью оси вращения направление угловой скорости определяется по правилу правой руки.
Правило правой руки
Направление угловой скорости находится по правилу правой руки. Для лучшего понимания рассмотрим вращающийся диск, как показано на рисунке ниже. Представьте себе полюс, проходящий через центр диска на оси вращения. Используя правило правой руки, ваша правая рука будет держаться за шест так, чтобы ваши четыре пальца следовали за направлением вращения. Кроме того, ваш большой палец направлен прямо по оси, перпендикулярно другим пальцам.
Направление угловой скорости — это направление, в котором указывает большой палец, когда вы сгибаете пальцы в направлении вращения диска. Направление угловой скорости всегда перпендикулярно плоскости вращения.
Связь между угловой скоростью и линейной скоростью
Угловая скорость аналогична линейной скорости. Чтобы найти взаимосвязь между угловой скоростью и линейной скоростью, давайте рассмотрим пример ямки на компакт-диске (данные компакт-диска хранятся в виде серии крошечных углублений, известных как «ямки»).
Яма перемещается на длину дуги Δs за время Δt, поэтому ее линейная скорость определяется следующим уравнением:
begin{array}{l}v = frac{Delta s}{Delta t} ,,—–(1)end{array}
Угол поворота Δθ — это отношение длины дуги к радиусу кривизны, поэтому
begin{array}{l}Delta Theta =frac{Delta s }{r}end{array}
Преобразовывая приведенное выше уравнение, мы получаем
begin{array}{l}Delta s=Delta Theta r,,—–(2)end{array}
Подставляя (2) в (1), получаем
begin{array}{l}v=rcdot frac{Delta Theta }{Delta t}end{array}
Упрощая далее, получаем
begin{array}{l}v = rcdot omegaend{array}
Следовательно,
begin{array}{l}v = rcdot omegaend{array}
обозначает связь между угловой скоростью и линейной скоростью.
Примеры угловой скорости из реальной жизни
Угловая скорость Земли
Планета Земля совершает три движения: вращается вокруг своей оси, вращается вокруг Солнца и проходит через Млечный Путь вместе с остальной частью Солнечной системы. Теперь мы знаем, что Земле требуется 23 часа 56 минут и 4,09 секунды, чтобы повернуться вокруг своей оси вращения. Этот процесс известен как звездные сутки, а скорость, с которой он движется, известна как угловая скорость Земли.
Полный радиан равен 360 градусам; отсюда мы знаем, что Земля совершает два радиана при полном вращении вокруг оси. Следовательно, угловая скорость вращения Земли может быть рассчитана как:
begin{array}{l}omega =frac{Delta Theta }{Delta t}end{array}
begin{array}{l}omega =frac{2pi }{1,{day}(86400,{seconds})}end{array}
Подсчитав, получаем,
begin{array}{l}omega =7.2921159times 10^{-5},{radians/second}end{array}
Угловая скорость вращения Земли равна,
begin{array}{l}omega =7.2921159times 10^{-5},{radians/second}end{array}
