Вращательное движение тела отличается от поступательного тем, что все уравнения, описывающие движения и взаимодействие тел, учитывают центр вращения, и все величины в этих уравнениях берутся относительно этого центра. Рассмотрим основной закон динамики вращательного движения.
Особенности вращательного движения
Основное отличие вращательного движения в том, что поворот всегда осуществляется вокруг некоторой оси.
Поэтому в таком движении всегда существует центростремительное ускорение, изменяющее направление мгновенной скорости. Однако, если на тело не действует никаких внешних сил, модуль мгновенной скорости вращательного движения будет оставаться постоянным.
Для того, чтобы изменился модуль скорости вращательного движения, необходимо приложить к телу дополнительную силу. Она, согласно Основному Закону динамики создаст ускорение, которое изменит скорость тела. Ускорение при этом получается угловым (обозначается $varepsilon$). Оно равно изменению угловой скорости $omega$ за единицу времени и измеряется в радианах в секунду за секунду.
Кроме того, для вращательного движения необходимо учитывать расстояние от оси вращения до точки приложения этой силы – плечо силы $l_F $. Учет массы материальных точек также должен вестись относительно оси вращения.
Для учета расположения оси вращения сила и масса во Втором Законе Ньютона для вращательного движения заменяются моментом силы и моментом инерции соответственно. Момент силы $M$ равен произведению модуля силы $F$ на плечо силы $l_F$ (расстояние от точки приложения до оси вращения). Момент инерции $J$ равен произведению массы материальной точки $m$ на квадрат расстояния от нее до оси вращения $l_F$. Ускорение получается угловым $varepsilon$.
Основной закон динамики для вращательного движения
В итоге, основной закон динамики вращательного движения принимает вид:
$$varepsilon = {M over J}={F l_F over ml_m^2}$$
Закон в таком виде близок к закону для поступательного движения. Однако, поскольку вращение происходит по известной траектории, а угловые ускорение и скорость всегда направлены по касательной к ней, то форма этого закона – скалярная. Кроме того, если внешняя сила имеет другое направление, то необходимо брать не ее модуль, а модуль ее проекции на касательную.
Необходимо также обратить внимание на то, что момент инерции материальной точки зависит от квадрата плеча. Это происходит потому, что сила, которая влияет на вращающееся тело и сообщает ему угловое ускорение, тем самым изменяет его угловую скорость, а значит, и центростремительное ускорение. Таким образом, масса материальной точки при вращении «сопротивляется» сильнее – внешней силе необходимо сообщить не только ускорение по направлению касательной (тангенциальное), но и центростремительное.
Что мы узнали?
Основной закон динамики вращательного движения аналогичен основному закону динамики для поступательного движения. Вместо силы в нем используется момент силы. Вместо массы используется момент инерции. Ускорение, получаемое материальной точкой, получается угловым.
