Формула угловой скорости

Понятие скорости

Когда мы сравниваем движение каких-либо тел, то говорим, что одни тела двигаются быстрее, а другие — медленнее. Такую простую терминологию мы используем в повседневной жизни, говоря, например, о движении транспорта. В физике быстрота движения тел характеризуется определенной величиной. Эта величина называется скоростью. Общее определение скорости (в случае, если тело движется равномерно): Определение 1

Скорость при равномерном движении тела — это физическая величина, показывающая, какой путь прошло тело за единицу времени.

Под равномерным движением тела подразумевается, что скорость тела постоянна. Формула нахождения скорости: $v=\frac{s}{t}$, $s$ — это пройденный телом путь (то есть длина линии), $t$ — время (то есть промежуток времени, за который пройден путь).

Готовые работы на аналогичную тему

  • Курсовая работа Формула для расчета линейной скорости 430 руб.
  • Реферат Формула для расчета линейной скорости 220 руб.
  • Контрольная работа Формула для расчета линейной скорости 220 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость

Согласно международной системе СИ, единица измерения линейной скорости является производной от двух основных единиц — метра и секунды, то есть измеряется в метрах в секунду (м/с). Это значит, что под единицей скорости понимается скорость такого равномерного движения, при котором путь в один метр тело проходит за одну секунду.

Также скорость часто измеряют в км/ч, км/с, см/с.

Рассмотрим простой пример задачи на вычисление скорости.

Пример 1

Задача. Двигаясь равномерно, поезд за 4 ч проходит 219 км. Найти его скорость движения.

Решение. $v=\frac{219 км}{4 ч}=54,75\frac{км}{ч}$. Переведём километры в метры и часы в секунды: $54,75\frac{км}{ч}=\frac{54750 м}{3600c}\approx 15,2\frac{м}{c}$.

Ответ. $54,75\frac{км}{ч}$ или $15,2\frac{м}{c}$.

Из примера мы видим, что числовое значение скорости отличается в зависимости от выбранной единицы измерения.

Кроме числового значения, скорость имеет направление. Числовое значение величины в физике называют модулем. Когда у физической величины есть и направление, то эту величину называют векторной. То есть скорость — это векторная физическая величина.

Ты студент любого из вузов России? Приглашаем на платное интервью! Тема интервью — подготовка к сессии и проблемы, возникающие при этом Узнать подробности

На письме модуль скорости обозначается $v$, а вектор скорости — $\vec v$.

В свою очередь, такие величины как путь, время, длина и другие характеризуются только числовым значением. Тогда говорят, что это скалярные физические величины.

В случае, когда движение является неравномерным, используют понятие средней скорости. Формула средней скорости: $v_{ср}=\frac{s}{t}$, где $s$ — это весь пройденный телом путь, $t$ — всё время движения. Рассмотрим пример задачи на среднюю скорость, чтобы понять разницу.

Пример 2

Задача. Некоторый транспорт за 2,5 часа преодолевает путь в 213 км. Найти его $v_{ср}$.

Решение. $v_{ср}=\frac{213 км}{2,5 ч}= 85,2 \frac{км}{ч}=\frac{213000 м}{9000 с}\approx 23,7\frac{м}{с} $.

Ответ. $85,2 \frac{км}{ч}$ или $23,7\frac{м}{с} $.

Задачи на движение по окружности

Как решать задачи на движение по окружности? Так же, как и все остальные! Для начала, вот памятка по решению физических задач и полезный список формул. Кстати! Для всех наших читателей действует скидка 10% на любой вид работы.

Задача №1. Нахождение линейной скорости при движении по окружности

Условие

Тело движется по окружности с ускорением 3 метра на секунду в квадрате по окружности радиусом 40 метров. Какова линейная скорость тела?

Решение

В данном случае ввиду имеется нормальное ускорение. Поэтому, для решения достаточно вспомнить всего одну формулу:

Ответ: 10,9 м/с.

Задача №2. Нахождение углового ускорения

Условие

Колесо, вращаясь с постоянным ускорением, достигло угловой скорости 20 рад/с через 10 оборотов после начала вращения. Найти угловое ускорение колеса.

Решение

Запишем закон вращения, учитывая, что по условию начальная угловая скорость равна нулю:

Выразим угловое ускорение из первого уравнения, а время – из второго. Затем подставим выраженное время в выражение для ускорения и сократим:

Ответ: 3,2 радиан на секунду в квадрате.

Чтобы перевести угол из радианов в градусы достаточно запомнить соотношение: в одном полном обороте 2пи радиан, или 360 градусов. Следовательно, в одном радиане примерно 57,3 градуса.

Задача №3. Нахождение скорости движения по окружности

Условие

Во сколько раз линейная скорость точки обода колеса радиусом 8 см больше линейной скорости точки, расположенной на 3 см ближе к оси вращения колеса?

Решение

Две точки вращаются на одном колесе, а значит, с одинаковой частотой. Используем соотношения для скорости:

Ответ: скорость точки на ободе больше в 1,6 раза.

Задача №4. Нахождение периода и частоты при движении по окружности

Условие

Маховик равномерно вращается и за время t=1 мин совершает N=2400 оборотов. Какова частота вращения маховика, период обращения и линейная скорость точки, расположенной на расстоянии 10 сантиметров от центра маховика?

Решение

По определению:

Подставим значения, предварительно переведя все величины в систему СИ, и вычислим:

Ответ: 40 Гц; 0,025 с; 25,12 м/с.

Задача №5. Нахождение полного ускорения при движении по окружности

Условие

Тело вращается вокруг стационарной оси по закону фи=10+20t-2t^2. Нужно найти полное ускорение точки, находящейся на расстоянии 10 см от оси вращения в момент времени t=4c.

Решение

Полное ускорение – векторная сумма нормального и тангенциального ускорений.

Вспоминаем, что скорость и ускорение можно вычислить через производные, зная закон движения:

Подставляем значение t из условия и вычисляем:


 Ответ: 1,65 метра в секунду.

Нужна помощь в выполнении заданий? Обращайтесь в профессиональный студенческий сервис в любое время.

Выражение линейной скорости через угловую скорость

Скорость называют мгновенной, так как ее значение показывает величину скорости в определенный момент времени.

Так как вектор перемещения $\Delta \overline{r}$ направлен по хорде, которая соединяет две близкие точки криволинейной траектории движения частицы, при уменьшении расстояния между этими точками, вектор $\Delta \overline{r}$ занимает положение касательной к линии, по которой движется частица. Из определения (1) следует, что мгновенная скорость направлена по касательной к траектории движения.

Скорость прохождения пути ($s$) определяют:

Мгновенную скорость называют линейной тогда, когда хотят подчеркнуть ее отличие от угловой скорости.

Если материальная точка движется по окружности, то ее положение характеризуют при помощи угла поворота ($\varphi $), который образует радиус-вектор ($\overline{r}$), определяющий положение рассматриваемой точки А с выделенным неизменным направлением от которого производят отсчет (рис.1).

Быстроту изменения угла поворота $\varphi $ характеризуют при помощи такой физической величины как угловая скорость. Обычно угловую скорость обозначают буквой $\omega $. Угловая скорость равна:

Вращение называют равномерным, если угловая скорость постоянна $\omega =const$. При равномерном вращении $\omega $ можно называть угловой частотой.

Линейная скорость движения точки по окружности связана с угловой скоростью. Пусть точка проходит путь равный длине дуги XA (рис.1). Этот путь обозначим $s$. Если радиус окружности равен$\ R=const$, то длину дуги найдем как:

Продифференцируем обе части выражения (4) по времени, имеем:

Мы видим, что в левой части получена величина линейной скорости, в правой части радиус окружности умножен на угловую скорость:

Формула (6) будет справедлива при движении точки по криволинейной траектории отличной от окружности, но в этом случае $R$ — радиус кривизны траектории в месте нахождения частицы.

В векторном виде выражение (6) записывают так:

$\overline{r}$ — вектор, соединяющий ось вращения и движущуюся точку (рис.2). Модуль скорости, используя формулу (7) найдем как:

где $\alpha $ — угол между вектором угловой скорости и $\overline{r}.$

С какой скоростью вращается земля?

Не для кого не секрет, что смена дня и ночи технически вызвана вращением Земли вокруг своей оси. Но вам когда нибудь приходило в голову с какой скоростью она вращается? И как посчитать эту скорость? Вообще, если говорить о движении по окружности, выделяют две скорости: угловую (ω) и линейную (v). Давайте попробуем найти и ту и другую.

Угловая скорость вращения Земли.

Угловая скорость определяет то, как быстро изменяется угол с течением в времени.  Так как один полный оборот соответствует углу в 360о или 2π, а время, за которое он совершается есть период Т, то угловую скорость можно выразить как:

ω=2π/Т

Мы знаем, что в сутках 24 часа, а, следовательно, можно предположить, что период обращения Земли вокруг своей оси Т составит так же 24 часа. Но не торопитесь переводить это время в секунды и подставлять в уравнение, записанное выше.

Так как Земля вращается еще вокруг солнца, то период обращения её вокруг собственной оси будет немного короче привычных нам солнечных суток и составит 23 часа 56 минут и 4 секунды. Это так называемые звездные сутки.

В пересчете на секунды мы получаем: Т=86164 с.

Теперь можно найти угловую скорость:

ω = 2π/Т = 0,00007292115078 с-1

Линейная скорость

Если говорить об угловой скорости, то она одинакова для любой точки нашей планеты

И не важно: пингвин в Арктике, слон в Африке или  Вы у себя дома, все будут иметь одинаковую угловую скорость. Но когда речь заходит о скорости линейной, то тут все наоборот

  Она будет максимальна на экваторе и убывать к полюсам, так как напрямую зависит от радиуса окружности вращения. А это значит, что если вы залезете на табуретку вкрутить лампочку, то ваша линейная скорость увеличится.

Строго говоря, линейная скорость описывает скорее не вращение Земли вокруг своей оси, она описывает вращение каких то отдельных её точек.

Рассчитать линейную скорость очень просто. По определению, скорость — это отношение пройденного пути ко времени, за которое этот путь был совершен. Если за один оборот мы проходим путь, равный длине окружности, а время движения будет ни что иное как период обращения Т, то, выразив длину окружности из известной школьной формулы: L= 2πR, мы получим уравнение для расчета линейной скорости:

V= 2πR/T

Так как угловая скорость ω = 2π/Т, то мы можем смело записать:

V=ωR

Радиус земли на экваторе R = 6378245 м, а значит линейная скорость там будет равна:

V≈465 м/с

Если перевести эту величину в километры в час, то получится 1674 км/ч!!! Приличная скорость. Но это на экваторе, где-нибудь в жаркой Африке, центральной её части. Ближе к полюсам значение будет ниже. Так, к примеру, для Санкт-Петербурга линейная скорость будет  уже в два раза меньше экваториальной, всего 837 км/ч, а на полюсах и вовсе 0 км/ч.

Что будет если…?

Что будет если земля перестанет вращаться? Вам знакома ситуация, когда вы едете в переполненном автобусе, вдруг водитель резко тормозит на светофоре, и все пассажиры, включая Вас, летят…???  Куда? Понятно куда, обниматься к водителю и целовать лобовое стекло. Примерно тоже самое произойдет, если Господь Бог нажмет на тормоза и остановит Землю.

  Вот только если скорость автобуса 60 км/ч, то в случае с Землей совершенно другие цифры. Значение в   1674 км/ч сопоставимо со скоростями сверхзвуковой авиации. А именно с такими скоростями начнут двигаться все тела и объекты, находящиеся на поверхности земли в случае её экстренной остановки.

  Конечно, в России, в связи с тем, что страна находится в северных широтах, скорости будут меньше, но все же появится возможность разогнать Жигули 6 модели до 837 км/ч!!! Нужно только остановить Землю.

Что будет если Земля начнет вращаться быстрее? Всем известно, что Земля это не совсем шар, она немного приплюснута у полюсов, что обусловлено её вращением вокруг своей оси. Увеличение скорости вращения еще сильнее сплющит нашу Землю. При достаточной для этого скорости она  вполне может превратиться в блин, и действительно стать плоской.

  Так же увеличение скорости может привести к тому, что все тела, находящиеся на её поверхности, улетят в космос.  Для этого необходимо,, чтобы линейная скорость этих тел превысила вторую космическую скорость (11.2 км/с).

И кто знает, может когда-нибудь Земля-Матушка устанет от наших глупых попыток управлять ею и, наконец, добавит оборотов, раскидав нас по всей солнечной системе.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. При равномерном движении тела по окружности

1) изменяется только модуль его скорости
2) изменяется только направление его скорости
3) изменяются и модуль, и направление его скорости
4) не изменяется ни модуль, ни направление его скорости

2. Линейная скорость точки 1, находящейся на расстоянии ​\( R_1 \)​ от центра вращающегося колеса, равна ​\( v_1 \)​. Чему равна скорость ​\( v_2 \)​ точки 2, находящейся от центра на расстоянии ​\( R_2=4R_1 \)​?

1) ​\( v_2=v_1 \)​
2) ​\( v_2=2v_1 \)​
3) ​\( v_2=0,25v_1 \)​
4) ​\( v_2=4v_1 \)​

3. Период обращения точки по окружности можно вычислить по формуле:

1) ​\( T=2\pi\!Rv \)​
2) \( T=2\pi\!R/v \)​
3) \( T=2\pi v \)​
4) \( T=2\pi/v \)​

4. Угловая скорость вращения колеса автомобиля вычисляется по формуле:

1) ​\( \omega=a^2R \)​
2) \( \omega=vR^2 \)​
3) \( \omega=vR \)
4) \( \omega=v/R \)​

5. Угловая скорость вращения колеса велосипеда увеличилась в 2 раза. Как изменилась линейная скорость точек обода колеса?

1) увеличилась в 2 раза
2) уменьшилась в 2 раза
3) увеличилась в 4 раза
4) не изменилась

6. Линейная скорость точек лопасти винта вертолёта уменьшилась в 4 раза. Как изменилось их центростремительное ускорение?

1) не изменилось
2) уменьшилось в 16 раз
3) уменьшилось в 4 раза
4) уменьшилось в 2 раза

7. Радиус движения тела по окружности увеличили в 3 раза, не меняя его линейную скорость. Как изменилось центростремительное ускорение тела?

1) увеличилось в 9 раз
2) уменьшилось в 9 раз
3) уменьшилось в 3 раза
4) увеличилось в 3 раза

8. Чему равен период обращения коленчатого вала двигателя, если за 3 мин он совершил 600 000 оборотов?

1) 200 000 с
2) 3300 с
3) 3·10-4 с
4) 5·10-6 с

9. Чему равна частота вращения точки обода колеса, если период обращения составляет 0,05 с?

1) 0,05 Гц
2) 2 Гц
3) 20 Гц
4) 200 Гц

10. Линейная скорость точки обода велосипедного колеса радиусом 35 см равна 5 м/с. Чему равен период обращения колеса?

1) 14 с
2) 7 с
3) 0,07 с
4) 0,44 с

11. Установите соответствие между физическими величинами в левом столбце и формулами для их вычисления в правом столбце. В таблице под номером физической
величины левого столбца запишите соответствующий номер выбранной вами формулы из правого столбца.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
А) линейная скорость
Б) угловая скорость
В) частота обращения

ФОРМУЛА
1) ​\( 1/T \)​
2) ​\( v^2/R \)​
3) ​\( v/R \)​
4) ​\( \omega R \)​
5) ​\( 1/n \)​

12. Период обращения колеса увеличился. Как изменились угловая и линейная скорости точки обода колеса и её центростремительное ускорение. Установите соответствие между физическими величинами в левом столбце и характером их изменения в правом столбце.
В таблице под номером физической величины левого столбца запишите соответствующий номер выбранного вами элемента правого столбца.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) угловая скорость
Б) линейная скорость
B) центростремительное ускорение

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась

Термины

  • Угловой момент – векторная величина, характеризующая объект в круговом движении. Величина равняется импульсу частички, а направление выступает перпендикулярным плоскости в движении по кругу.
  • Угловая скорость – векторная величина, дающая оценку телу в круговом движении. Величина равняется скорости частички, а направление выступает перпендикулярным плоскости кругового движения.
  • Вектор – направленное количество, обладающее величиной и направлением.

Линейное перемещение – движение по прямой линии. В этой разновидности присутствуют знакомые векторные величины, вроде скорости и импульса. Обе обладают величиной и направлением.

Подобное повторяется в движении по кругу. Оно обладает тем же набором величин с добавлением угловой скорости и углового момента.

В этой векторной диаграмме вы можете просмотреть процесс кругового движения. Синий вектор отмечает начало (центр) движения, красный – вектор угловой скорости, выступающий перпендикулярным плоскости движения и величиной, равной мгновенной скорости

Представьте, что частичка перемещается по кругу вокруг точки (источник) с постоянной скоростью. В следующее мгновение ее скорость остается стабильной, но направление меняется. Мы знаем из линейной скорости, что при трансформации вектора скорости возникает ускорение.

Но в данном случаем мы способны вычислить вектор углового момента (здесь он постоянный). Угловая скорость характеризуется направлением, выступающим перпендикулярным плоскости кругового движения. Это направление никогда не меняется в процессе прохождения объектом кругового пути. Величина углового момента равняется скорости, с которой продвигается угол частицы.

Отметим, что есть два вектора, выступающих перпендикулярными любой плоскости. Представьте вектор, указывающий на ваш стол и противоположный, направленный на него. Чтобы убрать двусмысленность, используют правило правой руки: сожмите пальцы в направлении кругового движения и большой палец укажет на направление векторов угловой скорости и импульса.

Чтобы вычислить направление углового вектора, применяйте правило правой руки: сожмите пальцы в направлении кругового движения, а большой палец выпрямите в векторном направлении

Единицы угловой скорости – радиан в секунду. Радиан характеризует угол плоскости, окруженный дугой (длина дуги, разделенная на ее радиус). Один радиан – угол, расположенный в центре круга дуги, равной по длине радиусу круга. Величина приравнивается к отношению длины дуги к радиусу окружности:

Θ = s/r, где Θ – угол в радианах, s – длина дуги, r – радиус.

Получается, что объект перемещается по кругу со стабильной скоростью, но подвергается постоянному линейному ускорению, которое необходимо, чтобы продолжать движение. Угловая скорость выступает постоянной, потому что непрерывно измеряет длину дуги в единицах времени. Постоянная угловая скорость известна как равномерное круговое движение.

Есть также угловая версия ускорения. Если объект перемещается по кругу и его скорость меняется, тогда присутствует угловое ускорение. Это изменение вектора угловой скорости, способное выражаться в изменении скорости объекта или направлении. Происходит по часовой стрелке или против нее.

Введение в равномерное круговое движение и гравитацию
  • Кинематика равномерного кругового движения
  • Динамика равномерного кругового движения
  • Осуществление виражей на изогнутом шоссе
Неравномерное круговое движение
Скорость, ускорение и сила
  • Вращательный угол и угловая скорость
  • Центростремительное ускорение
  • Центростремительная сила
Типы сил в природе
  • Приливы
  • Сила Кориолиса
  • Другие геофизические применения
Закон универсальной гравитации Ньютона
  • Закон всемирного тяготения
  • Гравитационное притяжение сферических тел: однородная сфера
  • Вес Земли
Законы Кеплера
  • Первый закон Кеплера
  • Второй закон Кеплера
  • Третий закон Кеплера
  • Орбитальные маневры
  • Спутники
Гравитационно потенциальная энергия
Энергосбережение
Угловые и линейные величины

Угловой путь

Для начала, вспомним, что линейное перемещение – это разница между конечным и начальным положением точки на оси (рис. 1).

\


Рис. 1. Линейное перемещение равно разности между конечным и начальным положениями точки на оси

Рассмотрим теперь колесо (рис. 2). На горизонтальной линии, проходящей через диаметр колеса, справа отметим красную точку, от которой мы начнем отсчитывать углы. Условимся считать, что возле этой точки находится нулевой угол.


Рис. 2. Точка из положения 1 сместилась в положение 2, пройдя угловой путь

На ободе колеса выберем точку, например — ниппель. Сначала ниппель находился в точке 1. Точка 1 сдвинута на угол \(\gamma_{1}\) относительно начала отсчета.

Будем вращать колесо в направлении, обозначенном синей стрелкой. Повернем колесо на некоторый угол, так, чтобы к концу движения ниппель переместился в точку, обозначенную цифрой 2 на рисунке. Эта точка смещена на угол \(\gamma_{2}\) по отношению к началу отсчета.

По аналогии с поступательным движением, угловой путь, который прошел ниппель — это разница (разность) угловых положений точек 1 и 2.

\

\(\varphi \left( \text{рад}\right)\) – угловой путь измеряется в радианах.

Угловой путь – это угол, на который повернулся ниппель, по отношению к его начальному положению.

Вращательный момент

Этот термин имеет несколько синонимов: момент силы, момент двигателя, Вращательный момент, вертящий момент. Все они используются для обозначения одного показателя, хотя с точки зрения физики эти понятия не всегда тождественны.

В целях унификации терминологии были разработаны стандарты, которые приводят все к единой системе. Поэтому в технической документации всегда используются словосочетание “крутящий момент”. Он представляет собой векторную физическую величину, которая равна произведению векторных значений силы и радиуса. Вектор радиуса проводится от оси вращения к точке приложенной силы. С точки зрения физики разница между крутящим и вращательным моментом заключается в точке прикладывания силы. В первом случае это внутреннее усилие, во втором – внешнее. Измеряется величина в ньютон-метрах. Однако в формуле мощности электродвигателя крутящий момент используется как основное значение.

Рассчитывается он как

M = F × r, где:

M – крутящий момент, Нм;

F – прикладываемая сила, H;

r – радиус, м.

Для расчета номинального вращающего момента привода используют формулу

Мном = 30Рном ÷ pi × нном, где:

Рном – номинальная мощность электрического двигателя, Вт;

нном – номинальное число оборотов, мин-1.

Соответственно, формула номинальной мощности электродвигателя бедует выглядеть следующим образом:

Рном = Мном * pi*нном / 30.

Обычно все характеристики указаны в спецификации. Но бывает, что приходится работать с совершенно новыми установками, информацию о которых найти очень сложно. Для расчета технических параметров таких устройств берут данные их аналогов. Также всегда известны только номинальные характеристики, которые даются в спецификации. Реальные данные необходимо рассчитывать самостоятельно.

Угловая скорость в спорте

Угловая скорость часто используется в спорте. Например, спортсмены уменьшают или увеличивают угловую скорость движения клюшки для гольфа, биты или ракетки, чтобы улучшить результаты. Угловая скорость связана с линейной скоростью так, что из всех точек на отрезке, вращающемся вокруг точки на этом отрезке, то есть вокруг центра вращения, самая отдаленная точка от этого центра движется с самой высокой линейной скоростью. Так, например, если клюшка для гольфа вращается, то конец этой клюшки, больше всего удаленный от центра вращения двигается с самой высокой линейной скоростью. В то же время все точки на этом отрезке движутся с одинаковой угловой скоростью. Поэтому удлиняя клюшку, биту, или ракетку, спортсмен также увеличивает линейную скорость, а соответственно скорость удара, передающуюся мячу, так что он может пролететь на большее расстояние. Укорачивая ракетку или клюшку, даже перехватив ее ниже, чем обычно, наоборот замедляют скорость удара.

При первобытнообщинном строе главными охотниками были мужчины

Спортсменам с более длинными руками и ногами удается добиться бо́льшей угловой скорости

У высоких людей с длинными конечностями есть преимущество в отношении линейной скорости. То есть, передвигая ноги с одинаковой угловой скоростью, они двигают ступни с более высокой линейной скоростью. То же происходит и с их руками. Такое преимущество может быть одной из причин того, что в первобытных обществах мужчины занимались охотой чаще, чем женщины. Вероятно, что из-за этого также в процессе эволюции выиграли более высокие люди. Длинные конечности помогали не только в беге, но и во время охоты — длинные руки бросали копья и камни с большей линейной скоростью. С другой стороны, длинные руки и ноги могут быть неудобством. Длинные конечности имеют больший вес и для их перемещения нужна дополнительная энергия. Кроме этого, когда человек быстро бежит, длинные ноги быстрее двигаются, а значит, при столкновении с препятствием удар будет сильнее, чем у людей с короткими ногами, которые двигаются с той же линейной скоростью.

В гимнастике, фигурном катании и нырянии также используют угловую скорость. Если спортсмен знает угловую скорость, то легко вычислить количество переворотов и других акробатических трюков во время прыжка. Во время кувырков спортсмены обычно прижимают ноги и руки как можно ближе к корпусу, чтобы уменьшить инерцию и увеличить ускорение, а значит и угловую скорость. С другой стороны, во время ныряния или приземления, судьи смотрят, как ровно спортсмен приземлился. На высокой скорости трудно регулировать направление полета, поэтому спортсмены специально замедляют угловую скорость, немного вытягивая от корпуса руки и ноги.

Спортсмены, которые занимаются метанием диска или молота, тоже контролируют линейную скорость с помощью угловой. Если просто бросить молот, не вращая его по кругу на длинной стальной проволоке, увеличивающей линейную скорость, то бросок будет не таким сильным, поэтому молот сначала раскручивают. Олимпийские спортсмены поворачиваются вокруг своей оси от трех до четырех раз, чтобы увеличить угловую скорость до максимально возможной.

Вектор угловой скорости спина рамы

Учитывая вращающуюся систему координат из трех единичных векторов координат, все три должны иметь одинаковую угловую скорость в каждый момент времени. В такой системе отсчета каждый вектор можно рассматривать как движущуюся частицу с постоянным скалярным радиусом.

Вращающаяся рамка появляется в контексте твердых тел , и для нее были разработаны специальные инструменты: угловая скорость вращения может быть описана как вектор или, что эквивалентно, как тензор .

В соответствии с общим определением, угловая скорость вращения кадра определяется как орбитальная угловая скорость любого из трех векторов (одинаковых для всех) относительно его собственного центра вращения. Сложение векторов угловой скорости для кадров также определяется обычным сложением векторов (композиция линейных перемещений) и может быть полезно для разложения вращения, как в карданном подвесе . Все компоненты вектора могут быть вычислены как производные от параметров, определяющих подвижные системы отсчета (углы Эйлера или матрицы вращения). Как и в общем случае, добавление коммутативности: . ω1+ω2знак равноω2+ω1{\ displaystyle \ omega _ {1} + \ omega _ {2} = \ omega _ {2} + \ omega _ {1}}

Согласно теореме Эйлера о вращении , любая вращающаяся система отсчета обладает мгновенной осью вращения , которая является направлением вектора угловой скорости, а величина угловой скорости согласуется с двумерным случаем.

Компоненты из векторов кадра

Рассматривая вектор координат системы отсчета как частицу, при , получаем вектор орбитальной угловой скорости: рзнак равноея{\ Displaystyle \ mathbf {r} = \ mathbf {e} _ {я}}|ея|знак равно1{\ displaystyle | \ mathbf {e} _ {i} | = 1}

ωзнак равнор×vр2знак равное1×е˙1знак равное2×е˙2знак равное3×е˙3.{\ displaystyle {\ boldsymbol {\ omega}} = {\ frac {\ mathbf {r} \ times \ mathbf {v}} {r ^ {2}}} = \ mathbf {e} _ {1} \ times { \ dot {\ mathbf {e}}} _ {1} = \ mathbf {e} _ {2} \ times {\ dot {\ mathbf {e}}} _ {2} = \ mathbf {e} _ {3 } \ times {\ dot {\ mathbf {e}}} _ {3}.}

Вот столбцы матрицы кадра и их производные по времени. ея{\ Displaystyle \ mathbf {е} _ {я}}е˙я{\ displaystyle {\ dot {\ mathbf {e}}} _ {i}}

Компоненты из углов Эйлера

Диаграмма, показывающая фрейм Эйлера зеленым цветом

Компоненты псевдовектора спиновой угловой скорости были впервые вычислены Леонардом Эйлером с использованием его углов Эйлера и использования промежуточной системы отсчета:

  • Одна ось системы отсчета (ось прецессии)
  • Линия узлов подвижной системы отсчета относительно системы отсчета (ось нутации)
  • Одна ось подвижной рамы (собственная ось вращения)

Эйлер доказал, что проекции псевдовектора угловой скорости на каждую из этих трех осей являются производной соответствующего угла (что эквивалентно разложению мгновенного вращения на три мгновенных вращения Эйлера ). Следовательно:

ωзнак равноα˙ты1+β˙ты2+γ˙ты3{\ displaystyle {\ boldsymbol {\ omega}} = {\ dot {\ alpha}} \ mathbf {u} _ {1} + {\ dot {\ beta}} \ mathbf {u} _ {2} + {\ точка {\ gamma}} \ mathbf {u} _ {3}}

Этот базис не является ортонормированным и его сложно использовать, но теперь вектор скорости можно изменить на фиксированную систему отсчета или на подвижную систему отсчета, просто изменив основы. Например, переход на мобильный фрейм:

ωзнак равно(α˙грех⁡βгрех⁡γ+β˙потому что⁡γ)я+(α˙грех⁡βпотому что⁡γ-β˙грех⁡γ)j+(α˙потому что⁡β+γ˙)k{\ displaystyle {\ boldsymbol {\ omega}} = ({\ dot {\ alpha}} \ sin \ beta \ sin \ gamma + {\ dot {\ beta}} \ cos \ gamma) \ mathbf {i} + ( {\ dot {\ alpha}} \ sin \ beta \ cos \ gamma — {\ dot {\ beta}} \ sin \ gamma) \ mathbf {j} + ({\ dot {\ alpha}} \ cos \ beta + {\ точка {\ gamma}}) \ mathbf {k}}

где — орты для системы отсчета, закрепленной в движущемся теле. Этот пример был сделан с использованием соглашения ZXZ для углов Эйлера. я,j,k{\ Displaystyle \ mathbf {я}, \ mathbf {j}, \ mathbf {k}}

Угловая скорость в спорте

Угловая скорость часто используется в спорте. Например, спортсмены уменьшают или увеличивают угловую скорость движения клюшки для гольфа, биты или ракетки, чтобы улучшить результаты. Угловая скорость связана с линейной скоростью так, что из всех точек на отрезке, вращающемся вокруг точки на этом отрезке, то есть вокруг центра вращения, самая отдаленная точка от этого центра движется с самой высокой линейной скоростью. Так, например, если клюшка для гольфа вращается, то конец этой клюшки, больше всего удаленный от центра вращения двигается с самой высокой линейной скоростью. В то же время все точки на этом отрезке движутся с одинаковой угловой скоростью. Поэтому удлиняя клюшку, биту, или ракетку, спортсмен также увеличивает линейную скорость, а соответственно скорость удара, передающуюся мячу, так что он может пролететь на большее расстояние. Укорачивая ракетку или клюшку, даже перехватив ее ниже, чем обычно, наоборот замедляют скорость удара.

При первобытнообщинном строе главными охотниками были мужчины

У высоких людей с длинными конечностями есть преимущество в отношении линейной скорости. То есть, передвигая ноги с одинаковой угловой скоростью, они двигают ступни с более высокой линейной скоростью. То же происходит и с их руками. Такое преимущество может быть одной из причин того, что в первобытных обществах мужчины занимались охотой чаще, чем женщины. Вероятно, что из-за этого также в процессе эволюции выиграли более высокие люди. Длинные конечности помогали не только в беге, но и во время охоты — длинные руки бросали копья и камни с большей линейной скоростью. С другой стороны, длинные руки и ноги могут быть неудобством. Длинные конечности имеют больший вес и для их перемещения нужна дополнительная энергия. Кроме этого, когда человек быстро бежит, длинные ноги быстрее двигаются, а значит, при столкновении с препятствием удар будет сильнее, чем у людей с короткими ногами, которые двигаются с той же линейной скоростью.

В гимнастике, фигурном катании и нырянии также используют угловую скорость. Если спортсмен знает угловую скорость, то легко вычислить количество переворотов и других акробатических трюков во время прыжка. Во время кувырков спортсмены обычно прижимают ноги и руки как можно ближе к корпусу, чтобы уменьшить инерцию и увеличить ускорение, а значит и угловую скорость. С другой стороны, во время ныряния или приземления, судьи смотрят, как ровно спортсмен приземлился. На высокой скорости трудно регулировать направление полета, поэтому спортсмены специально замедляют угловую скорость, немного вытягивая от корпуса руки и ноги.

Спортсмены, которые занимаются метанием диска или молота, тоже контролируют линейную скорость с помощью угловой. Если просто бросить молот, не вращая его по кругу на длинной стальной проволоке, увеличивающей линейную скорость, то бросок будет не таким сильным, поэтому молот сначала раскручивают. Олимпийские спортсмены поворачиваются вокруг своей оси от трех до четырех раз, чтобы увеличить угловую скорость до максимально возможной.