角速度的单位(角速度的单位符号)
切向速度是在与沿曲线运动的物体相切的任何点上测量的 。因此,角速度ω与切向速度Vt的关系可以表示为Vt =ωr,其中r为曲线运动的半径 。任何时候测得的圆周运动分量就是切向速度 。顾名思义,切向速度描述的是物体沿圆周的运动,它始终与圆周相切 。
众所周知,从行驶的汽车上跳下来是非常危险和刺激的 。孩子可能会在9岁的时候感受到从旋转木马上跳下来是什么感觉——如果你的兄弟姐妹没有把你踢下来的话 。除了感受到一秒的恐惧和泥土的气息,我还经常在想,为什么我从边缘飞得比那个从中间飞的孩子更远?
闲话少说,我们进入本文的主题:切向速度!
首先,切线是什么?
切线是一条与函数上的一点相切的直线 。这里的函数,定义为任意非线性曲线,代表一个方程——平面直角坐标系中X和Y的关系 。
例如,考虑最熟悉的曲线:圆 。圆由标准方程定义 。这意味着对于一个固定的半径r,x和y的指定值会画出一个漂亮的弧线,就像在蛇的末端一样 。
图解:以原点为圆心的圆 。
为简单起见,我考虑一个圆心在原点的圆,即圆心在(0,0),其中R为半径,即原点到圆周的距离 。
插图:非线性路径每一侧的切线 。
顾名思义,切向速度描述的是物体沿圆周的运动,圆周上任意一点的方向总是与圆周相切 。然而,这一概念并不局限于匀速圆周运动,而是适用于所有非线性运动 。如果一个物体通过非线性曲线从A点移动到B点,红色箭头表示轨迹上每个点的切向速度 。
让我们继续研究这个圈子 。
切向速度公式
先计算角位移Q,它是圆弧轨迹S的长度与圆周运动物体半径R的比值,即从圆心出发,连接圆弧投影两端的两条线之间的拐角部分,单位为弧度 。
角速度是物体角位移的变化率,用ω表示,其标准单位是弧度/秒(rad/s) 。与线速度不同,它只适用于圆周运动,圆周运动本质上是角位移扫掠的速率 。
图示:匀速圆周运动中线速度或切向速度的推导 。
角速度的线性分量就是线速度,即物体线位移的变化率 。线位移就是上面提到的圆弧轨迹的长度,半径r和角位移q的乘积的导数就是物体的线速度 。半径是一个常数,不包括在计算中;物体的线速度是角速度和圆弧轨迹半径的乘积 。
圆形物体在任意时刻的线速度等于其切向速度!
线速度也可以用周期来定义 。如果把物体绕一个圆旋转所需的时间定义为一个周期,那么其圆周运动的速度就是s/t(距离/时间) 。
图示:线速度或切向速度v与周期t关系的推导 。
t的倒数叫做频率,是每秒的周期数,用f表示,2pf的乘积叫做角频率,用w表示,有助于我们得到前面的结果 。
矢积
注意,切向速度是一个既有大小又有方向的矢量 。标准符号上方的箭头表示向量 。即使切向速度的方向不断变化,矢量积也是不变的 。所有的矢量都可以写成两个矢量的矢量积,即两个矢量的长度与它们之间的正弦角的乘积 。矢量积的方向垂直于原来的两个矢量 。
图示:为什么切向速度不随方向的变化而变化?也就是说,任一点的切向速度值相同,但方向不同 。
我们需要计算矢量积的是半径r和角速度ω 。根据右手定则,如果右手握住转轴,手指沿物体旋转方向旋转,拇指指向角速度方向,明显与半径垂直 。而且因为90度角的正弦值是1,所以圆周上任意一点得到的矢量积都会一直保持不变 。
有趣的是,物体在圆周内和圆周外的角速度相同,但切向速度不同 。如其公式所示 。这是因为半径的不同 。所以从旋转木马里飞出来的人比从里面飞出来的人速度更快,掉得更远 。
图示:离圆心越远,线速度越大 。
为什么要研究这个问题?
切向速度适用于许多情况,包括所有非线性运动 。比如从秋千上突然跳下或者卫星(或者地球本身)偏离了它的圆形轨道 。或者卫星地球的圆周运动发生在一个神秘的区域,在这个区域内,向内拉它的向心力被推动它直线前进的线速度抵消 。
插图:由于地球的线性或切向速度,地球也按比例缩放空 。
但是,如果地球或者太阳突然消失,我们的圆周运动就会停止,我们会因为线速度的关系,立刻被抛入深渊空 。当重力消失时,我们会画一条直线,这条直线就是切线 。
参考数据
1.维基百科全书
2.天文术语
3.多米科学
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