Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси

Вращением твердого тела вокруг неподвижной оси (оси вращения) называется такое его движение, при котором точки тела, лежащие на оси вращения, остаются неподвижными в течение всего времени движения.

Пусть осью вращения является ось , которая может иметь в пространстве любое направление. Одно направление оси принимается за положительное (рис. ПЕ.1).

Через ось вращения проведем неподвижную плоскость и подвижную , скрепленную с вращающимся телом. Пусть в начальный момент времени обе плоскости совпадают. Тогда в момент времени положение подвижной плоскости и самого вращающегося тела можно определить двугранным углом между плоскостями и соответствующим линейным углом между прямыми, расположенными в этих плоскостях и перпендикулярными оси вращения. Угол называется углом поворота тела.

Угол считается положительным, если он откладывается против часовой стрелки, и отрицательным – в противоположном направлении, если смотреть с положительного направления оси . Траектории точек тела при его вращении вокруг неподвижной оси являются окружностями, расположенными в плоскостях, перпендикулярных оси вращения.

Алгебраической угловой скоростью тела в какой-либо момент времени называют первую производную по времени от угла поворота в этот момент, т.е. . Она является величиной положительной при вращении тела против часовой стрелки, так как угол поворота возрастает с течением времени, и отрицательной – при вращении тела по часовой стрелке, потому что угол поворота при этом убывает.

Модуль угловой скорости обозначают . Тогда

. (ПЕ.2)

Алгебраическим угловым ускорением тела называют первую производную по времени от алгебраической скорости, т.е. вторую производную от угла поворота . Модуль углового ускорения обозначим , тогда

. (ПЕ.3)

Угловую скорость и угловое ускорение на рисунках изображают дуговыми стрелками вокруг оси вращения. Дуговая стрелка для угловой скорости указывает направление вращения тела. Для ускоренного вращения дуговые стрелки для угловой скорости и углового ускорения имеют одинаковые направления, для замедленного – их направления противоположны.

Пусть известно уравнение вращения твердого тела вокруг неподвижной оси (рис. ПЕ.2). Расстояние точки в подвижной плоскости по дуге окружности (траектории точки), отсчитываемое от точки , расположенной в неподвижной плоскости, выражается через угол зависимостью , где – радиус окружности, по которой перемещается точка. Он является кратчайшим расстоянием от точки до оси вращения. Его называют радиусом вращения точки.

Алгебраическую скорость точки определяем по формуле

.

Модуль скорости точки

. (ПЕ.4)

Скорости точек тела при вращении вокруг неподвижной оси пропорциональны их кратчайшим расстояниям до этой оси. Коэффициентом пропорциональности является угловая скорость. Скорости точек направлены по касательным к траекториям и, следовательно, перпендикулярны радиусам вращения.

Скорости точек тела, расположенных на отрезке прямой , в соответствии с (ПЕ.4) распределены по линейному закону. Они взаимно параллельны, и их концы располагаются на одной прямой, проходящей через ось вращения Ускорение точки разлагаем на касательную и нормальную составляющие, т. е.

.

Касательное и нормальное ускорения вычисляются по формулам:

, ,

так как для окружности радиус кривизны (рис. ПЕ.3). Таким образом,

, ,

. (ПЕ.5)

Касательные, нормальные и полные ускорения точек, как и скорости, распределены тоже по линейному закону. Они линейно зависят от расстояний точек до оси вращения. Нормальное ускорение направлено по радиусу окружности к оси вращения. Направление касательного ускорения зависит от знака алгебраического углового ускорения. При и или и имеем ускоренное вращение тела и направления векторов и совпадают. Если и имеют разные знаки (замедленное вращение), то и направлены противоположно друг другу.