Wetenschap
Kinematica is een wiskundige tak van de fysica die vergelijkingen gebruikt om de beweging van objecten te beschrijven (met name hun banen Dat wil zeggen dat u eenvoudig verschillende getallen in de set van vier kinematische vergelijkingen om onbekenden in die vergelijkingen te vinden zonder enige kennis van de fysica achter die beweging, waarbij alleen wordt vertrouwd op uw algebra-vaardigheden. Zie “kinematica” als een combinatie van “kinetiek 'En' wiskunde '- met andere woorden, de wiskunde van beweging. Rotatiekinematica is precies dit, maar het gaat specifiek om objecten die in cirkelvormige paden bewegen in plaats van horizontaal of verticaal. Net als objecten in de wereld van translationele beweging, kunnen deze roterende objecten worden beschreven in termen van hun verplaatsing, snelheid en versnelling in de tijd, hoewel sommige van de variabelen noodzakelijkerwijs veranderen om tegemoet te komen aan de basisverschillen tussen lineaire en hoekbeweging. Het is eigenlijk heel nuttig om de basisprincipes over lineaire beweging en rotatiebeweging tegelijkertijd te leren, of op zijn minst kennis te maken met de relevante variabelen en vergelijkingen. Dit is niet om je te overweldigen, maar is bedoeld om de parallellen te onderstrepen. Natuurlijk is het belangrijk om te onthouden dat bij het leren over deze "soorten" beweging in de ruimte vertaling en rotatie verre van wederzijds exclusief zijn. In feite vertonen de meeste bewegende objecten in de echte wereld een combinatie van beide soorten beweging, waarvan er één op het eerste gezicht vaak niet duidelijk is. Omdat "snelheid" betekent meestal "lineaire snelheid" en "versnelling" betekent "lineaire versnelling", tenzij anders aangegeven, het is gepast om een paar eenvoudige voorbeelden van basisbeweging te bekijken. Lineaire beweging betekent letterlijk beweging beperkt tot een enkele lijn, vaak toegewezen de variabele "x". Projectielbewegingsproblemen hebben zowel x- als y-dimensies en zwaartekracht is de enige externe kracht (merk op dat deze problemen worden beschreven als die zich voordoen in een driedimensionale wereld, bijvoorbeeld: "Een kanonskogel wordt afgevuurd ..." ). Merk op dat massa m Omdat rotatiebeweging het bestuderen van cirkelvormige paden omvat (in niet-uniforme en uniforme cirkelvormige beweging) in plaats van meters te gebruiken om de verplaatsing van een object te beschrijven, je gebruikt in plaats daarvan radialen of graden. De radiaal is aan de oppervlakte een ongemakkelijke eenheid, die zich vertaalt naar 57.3 graden. Maar een trip rond een cirkel (360 graden) wordt gedefinieerd als 2π radialen, en om redenen die je gaat zien, is dit in sommige gevallen handig bij het oplossen van problemen. Er kunnen problemen zijn met het aantal omwentelingen per tijdseenheid (rpm of rps). Onthoud dat elke revolutie 2π radialen of 360 graden is. Translationele kinematica-metingen, of eenheden, hebben allemaal rotatie-analogen. Bijvoorbeeld, in plaats van lineaire snelheid, die bijvoorbeeld beschrijft hoe ver een bal in een rechte lijn over een bepaald tijdsinterval rolt, beschrijft de rotatie Het belangrijkste om in gedachten te houden is dat elke translationele eenheid een rotatie-analoog heeft. Leren om de "partner" degenen wiskundig en conceptueel te relateren vergt wat oefening, maar voor het grootste deel is het een kwestie van eenvoudige vervanging. Lineaire snelheid v De waarden van ω Er zijn echter tangentiële (en dus lineaire) snelheden en versnellingen aanwezig in de meeste situaties waarin roterende grootheden worden gezien. Tangentiële grootheden worden berekend door hoekgrootheden te vermenigvuldigen met r Nu de meetanalogen tussen rotatie en lineaire beweging zijn weggekwadrateerd met behulp van de introductie van nieuwe hoektermen, kunnen deze worden gebruikt om de vier klassieke translationele herschrijvingen te herschrijven kinematicavergelijkingen in termen van rotatiekinematica, alleen met enigszins verschillende variabelen (de letters in vergelijkingen die onbekende grootheden vertegenwoordigen). Er zijn vier fundamentele vergelijkingen en vier basisvariabelen in het spel in de kinematica: positie ( x - [voeg een tabel in met lineaire /translationele kinematicavergelijkingen die zijn uitgelijnd met hun rotatie-analogen] Stel bijvoorbeeld dat u wordt verteld dat een machine-arm geveegd door een hoekverplaatsing van 3π /4 radialen met een initiële hoeksnelheid ω 0 θ \u003d θ 0+ ½ (ω 0 + ω) t (3π /4) \u003d 0 + (π /2 ) t t \u003d 1.5 s Hoewel elke translationele vergelijking een rotatie-analoog heeft, is het omgekeerde niet helemaal waar vanwege de centripetale versnelling, wat een gevolg is van de tangentiële snelheid v t 1. Een dunne staaf, geclassificeerd als een star lichaam met een lengte van 3 m, roteert rond een as rond een uiteinde. Het versnelt uniform van rust naar 3π rad /s 2 over een periode van 10 s. a) Wat zijn de gemiddelde hoeksnelheid en hoekversnelling gedurende deze tijd? Zoals bij lineaire snelheid, deel (ω 0+ ω) door 2 om de gemiddelde hoeksnelheid te krijgen: (0 + 3π s -1) /2 \u003d 1.5 * π De gemiddelde versnelling wordt gegeven door ω \u003d ω 0+ αt, of α \u003d (3π s -1/10 s) \u003d 0.3π s -2. b) Hoeveel volledige omwentelingen maakt de staaf? Aangezien de gemiddelde snelheid 1,5π s -1 is en de staaf gedurende 10 seconden draait, beweegt deze door een totaal van 15π radialen. Aangezien een revolutie 2π radialen is, betekent dit (15π /2π) \u003d 7,5 revoluties (zeven volledige revoluties) in dit probleem. c) Wat is de tangentiële snelheid van het uiteinde van de staaf op tijdstip t \u003d 10 s? Omdat v t I I \u003d mr 2 voor een puntdeeltje, maar anders hangt het af van de vorm van het object dat de rotatie uitvoert, evenals de rotatieas. Zie de bronnen voor een handige lijst met waarden van I Massa is anders omdat de hoeveelheid in rotatiekinematica waarop het betrekking heeft, traagheidsmoment, zelf eigenlijk
) zonder te verwijzen naar krachten.
Voorbeelden van lineaire en projectiele beweging
geen enkele vorm van kinematica vergelijkingen invoert, omdat het effect van zwaartekracht op de beweging van objecten onafhankelijk is van hun massa, en hoeveelheden zoals momentum, traagheid en energie maken geen deel uit van vergelijkingen o f beweging.
Een snelle opmerking over radialen en graden
Rotationele kinematica versus translationele kinematica-metingen
of hoeksnelheid
van de bal de snelheid van rotatie van die bal (hoeveel het roteert in radialen of graden per seconde).
specificeert zowel de grootte als de richting van "a particle's translation;", 3, [[hoeksnelheid ω
(de Griekse letter omega) vertegenwoordigt zijn enkelvoudige snelheid, wat precies is hoe snel het object in radialen per seconde draait. Evenzo wordt de mate van verandering van ω
, de hoekversnelling, gegeven door α
(alpha) in rad /s 2.
en α
zijn hetzelfde voor elk punt op een massief object, ongeacht of ze 0,1 m van de rotatie-as of 1000 meter afstand worden gemeten, want het is alleen hoe snel de hoek θ
veranderingen die ertoe doen.
, de afstand vanaf de rotatieas: v t \u003d ωr en α * t
* \u003d αr.
Rotationele kinematica versus translationele kinematicavergelijkingen
, y
of θ
), snelheid ( v
of ω
), versnelling ( a
of α
) en tijd t
. Welke vergelijking u kiest, hangt af van welke hoeveelheden u niet kunt starten.
van 0 rad /s en een uiteindelijke hoeksnelheid ω
van π rad /s. Hoe lang duurde deze beweging?
en wijst naar de rotatieas. Zelfs als er geen verandering is in de snelheid van een deeltje dat rond een massamiddelpunt draait, vertegenwoordigt dit versnelling omdat de richting van de snelheidsvector altijd verandert.
Voorbeelden van rotatiekinematica Wiskunde
* s -1.
\u003d ωr, en ω op het moment t \u003d 10 is 3π s -1, v t \u003d (3π s -1) (3 m) \u003d 9π m /s.
Het moment van inertie
wordt gedefinieerd als het traagheidsmoment (ook wel tweede moment van gebied
) in rotatiebeweging, en het is analoog aan massa voor computationele doeleinden. Het lijkt dus waar massa zou verschijnen in de wereld van lineaire beweging, misschien het belangrijkste bij het berekenen van het hoekmomentum L
. Dit is het product van I
en ω,
en is een vector met dezelfde richting als ω
.
voor veel voorkomende vormen.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com