Въртене
🐈 През 1894 г. френският физиолог Етиен-Жюл Маре снима с бърза камера падаща котка – около 12 кадъра в секунда. Котката е пусната с краката нагоре, без да се върти, и все пак каца на четирите си лапи. Снимките смущават учените: щом в началото котката не се върти, моментът на импулса ѝ е нула и би трябвало да остане нула. Как тогава се обръща? Отговорът е хитър – котката върти отделните части на тялото си в различни посоки и сгъва и разгъва лапите си, така че общият момент на импулса остава нула през цялото време. В този урок ще разберем защо въртенето се подчинява на свои закони.
1. Равномерно движение по окръжност
Колело, въртележка, стрелка на часовник, точка от Земята – всички се движат по окръжности. Ъгълът на завъртане измерваме в радиани: ъгъл обхваща дъга с дължина , а пълният оборот е rad (виж Окръжност и кръг).
Период, честота и ъглова скорост
Пример
С каква скорост се движи връхчето на секундната стрелка на часовник, ако тя е дълга 15 cm?
- ,
- Всички точки на стрелката имат една и съща , но различни – най-бързо се движи връхчето.
2. Центростремително ускорение и сила
При по окръжност големината на скоростта е постоянна, но посоката ѝ непрекъснато се мени. Значи има – и то сочи към центъра.
Центростремително ускорение
Центростремителната сила не е нова сила – това е името на резултантната на истинските сили: на връвта, на гумите в завоя, гравитацията при спътника (виж Закони на Нютон и Орбити и скорости). „Центробежната сила“, която усещаш в завиващия автобус, се появява само в на автобуса: всъщност тялото ти иска да продължи направо, а автобусът завива под него.
Връвта дърпа топчето към центъра – това е центростремителната сила F = mv²/r.
💡 Синята стрелка е скоростта (винаги по допирателната), червената – ускорението (винаги към центъра). Удвои скоростта: силата става 4 пъти по-голяма. Удвои радиуса при същата скорост: силата намалява наполовина. Дължините на стрелките не са в мащаб.
Пример
С каква най-голяма скорост кола може да вземе хоризонтален завой с радиус 50 m, ако коефициентът на триене между гумите и пътя е 0,7?
- Центростремителната сила е силата на триене при покой:
- Масата се съкращава:
- Това са около 66,7 km/h. На мокър път е по-малко и безопасната скорост пада. Затова завоите по магистралите са наклонени: така част от нужната сила идва от нормалната сила на пътя.
Пример
Количка минава по лупинг с радиус 10 m. Каква е най-малката скорост в най-горната точка, при която тя не се отделя от релсата?
- Горе и теглото, и нормалната сила сочат надолу – към центъра:
- Най-малката скорост е при :
3. Момент на сила и инерчен момент
Една и съща сила завърта вратата много по-лесно, ако буташ далеч от пантите. Въртящото действие на силата зависи от нея и от рамото ѝ.
Момент на сила
Основен закон за въртенето
Сравни с : моментът играе ролята на силата, ъгловото ускорение – на ускорението, а инерчният момент – на масата. Но зависи не само от масата, а и от това как е разпределена: масата далеч от оста „тежи“ повече.
Пример
Маховик е плътен диск с маса 10 kg и радиус 0,3 m. Двигател го завърта с момент 4,5 N·m. Какво е ъгловото ускорение?
- – за всяка секунда ъгловата скорост расте с 10 rad/s.
4. Енергия при въртене и търкаляне
Кинетична енергия на въртене
Когато тяло се търкаля по наклон, се разделя между движението напред и въртенето (виж Работа, енергия, мощност). От следва – скоростта не зависи нито от масата, нито от радиуса, а само от формата.
Редът винаги е един и същ: кубче, кълбо, цилиндър, обръч – при всеки ъгъл, маса и радиус.
💡 При търкаляне без плъзгане ускорението е a = g·sin α / (1 + k), където k = I/(mR²) зависи само от формата. Обръчът има цялата маса далеч от оста (k = 1) и половината му енергия отива във въртене. Анимацията е забавена 2 пъти.
Пример
Плътно кълбо и обръч се търкалят от покой по наклон с височина 1 m. Каква скорост имат долу?
- Кълбо ():
- Обръч ():
- Без търкаляне (плъзгане без триене) скоростта би била .
5. Момент на импулса
Закон за запазване на момента на импулса
Затова фигуристката се завърта по-бързо, като прибере ръцете си, скачачът във вода се свива на топка, за да направи повече салта, а котката от началото на урока може да се обърне, като върти частите на тялото си една срещу друга.
Пусни въртенето и прибери ръцете с плъзгача.
💡 Моментът на импулса L = Iω не се променя, защото ледът почти не създава момент на сила. Ръцете близо до оста означават малък инерчен момент I и голяма ъглова скорост ω. Анимацията е забавена 4 пъти; моделът е опростен (ръцете като две точкови маси).
Пример
Мислен опит: ако Слънцето (период на въртене около 25 дни, радиус 696 000 km) се свие до кълбо с радиус 12 km, без да губи маса, колко бързо ще се върти? Да приемем грубо, че остава еднородно кълбо.
- , значи , а периодът
- – около 1600 оборота в секунда.
- Слънцето няма да стане неутронна звезда, но този ефект обяснява защо неутронните звезди (пулсарите) се въртят толкова бързо.
Повече за – в урока Бели джуджета и черни дупки.
6. Тренажор
Пресметни исканата величина. Десетичните отговори въвеждай като 0,25.
Линейна скорост:
7. Въртенето около нас
🌍 Въртим се и без да усещаме
Земята се завърта около оста си спрямо звездите за около 23 h 56 min (86 164 s), а радиусът ѝ на екватора е 6378 km. С каква скорост се движи човек на екватора?
🚴 Наклон в завоя
Велосипедист взема завой с радиус 20 m със скорост 36 km/h. На какъв ъгъл от вертикалата трябва да се наклони? ()
🧑🚀 Центрофуга за космонавти
Космонавтите тренират в центрофуга с радиус 8 m. Колко оборота в минута трябва да прави тя, за да е центростремителното ускорение 5g? ()
🧺 Центрофугата на пералнята
Барабанът на пералня има радиус 25 cm и центрофугира с 1200 оборота в минута. Колко пъти центростремителното ускорение е по-голямо от ?
⛸️ Пирует
Фигуристка се върти с 2 оборота в секунда с разперени ръце (инерчен момент 3,5 kg·m²). Тя прибира ръцете си и инерчният ѝ момент става 1,0 kg·m². Колко оборота в секунда прави сега?
🚲 Колелото на велосипеда
Колелото на велосипед има диаметър 70 cm. Колко оборота в минута прави то, когато велосипедът се движи с 18 km/h без плъзгане?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
8. ⚠️ Чести грешки
Центробежна сила
✗ върху топчето действа сила навън
✓ в инерциална система резултантната сочи към центъра; „центробежната“ е ефект на въртящата се система
Обороти вместо радиани
✗
✓ първо
Рамо на силата
✗ рамото е разстоянието до точката на прилагане
✓ рамото е перпендикулярът от оста до линията на силата
Енергия при търкаляне
✗
✓
Тежкото се търкаля по-бързо
✗ по-масивното кълбо стига първо
✓ времето зависи само от формата (), не от масата и радиуса
Енергия при пирует
✗ запазва се енергията
✓ запазва се ; енергията расте за сметка на работата на мускулите
9. 🎯 Бърз тест
В каква единица се измерва ъгловата скорост?
10. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
11. Обобщение
- ✓ , ; ъглите – в
- ✓ Центростремително ускорение към центъра; нужната сила е резултантната на истинските сили
- ✓ Момент на сила ; основен закон
- ✓ Обръч , диск , кълбо
- ✓ Търкаляне: , – зависи само от формата
- ✓ Без външен момент се запазва: по-малко – по-голямо
💡 Интересен факт
Денят на Земята бавно се удължава – средно с около 2 милисекунди на век. Приливите, които Луната предизвиква, трият океаните в дъното и спират въртенето на Земята, а изгубеният момент на импулса се предава на Луната. Затова тя се отдалечава от нас с около 3,8 cm годишно – това се измерва с лъчи, отразени от огледала, оставени на Луната. По на растеж при древни корали учените оценяват, че преди около 400 милиона години годината е имала приблизително 400 дни.