§ 49. ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА ВОКРУГ ОСИ, УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ И УГЛОВОЕ УСКОРЕНИЕ

Вращательным движением твердого тела вокруг неподвижной оси называется такое его движение, при котором какие-нибудь две точки, принадлежащие телу (или неизменно с ним связанные), остаются во все время движения неподвижными (рис. 134).

Проходящая через неподвижные точки А и В прямая А В называется осью вращения.

Так как расстояния между точками твердого тела должны оставаться неизменными, то очевидно, что при вращательном движении все точки, принадлежащие оси вращения, будут неподвижны, а все остальные точки тела будут описывать окружности, плоскости которых перпендикулярны оси вращения, а центры лежат на этой оси.

Рис. 134

Для определения положения вращающегося тела проведем через ось вращения, вдоль которой направим ось полуплоскость — неподвижную и полуплоскость II, врезанную в само тело и вращающуюся вместе с ним (см. рис. 134). Тогда положение тела в любой момент времени однозначно определится взятым с соответствующим знаком углом между этими полуплоскостями, который назовем углом поворота тела. Будем считать угол положительным, если он отложен от неподвижной плоскости в направлении против хода часовой стрелки (для наблюдателя, смотрящего с положительного конца оси ), и отрицательным, если по ходу часовой стрелки. Измерять угол будем всегда в радианах. Чтобы знать положение тела в любой момент времени, надо знать зависимость угла от времени t, т. е.

Уравнение (36) выражает закон вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси.

Основными кинематическими характеристиками вращательного движения твердого тела являются его угловая скорость со и угловое ускорение е.

Если за промежуток времени тело совершает поворот на угол то численно средней угловой скоростью тела за этот промежуток времени будет . В пределе при найдем, что

Таким образом, числовое значение угловой скорости тела в данный момент времени равно первой производной от угла поворота по времени. Равенство (37) показывает также, что величина со равна отношению элементарного угла поворота к соответствующему промежутку времени

Знак со определяет направление вращения тела. Легко видеть, что когда вращение происходит против хода часовой стрелки, а когда по ходу часовой стрелки, то

Размерность угловой скорости (т. е. 1/время); в качестве единицы измерения обычно применяют рад/с или, чготоже, так как радиан — величина безразмерная.

Рис. 135

Угловую скорость тела можно изобразить в виде вектора со, модуль которого равен и который направлен вдоль оси вращения тела в ту сторону, откуда вращение видно происходящим против хода часовой стрелки (рис. 135). Такой вектор определяет сразу и модуль угловой скорости, и ось вращения, и направление вращения вокруг этой оси.

Угловое ускорение характеризует изменение с течением времени угловой скорости тела. Если за промежуток времени угловая скорость тела изменяется на величину то числовое значение среднего углового ускорения тела за этот промежуток времени будет . В пределе при найдем, учтя одновременно равенство (37), что

Таким образом, числовое значение углового ускорения тела в данный момент времени равно первой производной от угловой скорости или второй производной от угла поворота тела по времени.

Размерность углового ускорения ; в качестве единицы измерения обычно применяется или, что то же,

Если модуль угловой скорости со временем возрастает, вращение тела называется ускоренным, а если убывает, — замедленным. Легко видеть, что вращение будет ускоренным, когда величины имеют одинаковые знаки, и замедленным, — когда разные.

Угловое ускорение тела (по аналогии с угловой скоростью) можно также изобразить в виде вектора , направленного вдоль оси вращения. При этом

Направление совпадает с направлением со, когда тело вращается ускоренно (рис. 135, а), и противоположно со при замедленном вращении (рис. 135, б).