Mục lục bài họcĐang ở d05-b4
Rotational Kinematics and the Linear–Angular Connection
The same four equations, in angular clothing
Angular position $\theta$ (in radians), angular velocity $\omega=\Delta\theta/\Delta t$ and angular acceleration $\alpha=\Delta\omega/\Delta t$ obey exactly the constant-acceleration equations of Unit 1 with $x\to\theta$, $v\to\omega$, $a\to\alpha$:
$$\omega=\omega_0+\alpha t,\qquad \theta=\omega_0t+\tfrac12\alpha t^2,\qquad \omega^2=\omega_0^2+2\alpha\theta$$Graph rules carry over too: the slope of a $\theta$–$t$ graph is $\omega$, the slope of an $\omega$–$t$ graph is $\alpha$, and the area under an $\omega$–$t$ graph is the angle turned through. The one new habit is unit discipline: convert revolutions to radians ($1$ rev $=2\pi$ rad) and rpm to rad/s ($\omega=\frac{2\pi N}{60}$) before substituting.
Linking a point on the rim to the rotation
Every point on a rigid rotating body shares the same $\omega$ and $\alpha$, but points farther from the axis move faster and farther:
$$s=r\theta,\qquad v=r\omega,\qquad a_{\text{t}}=r\alpha,\qquad a_{\text{c}}=r\omega^2=\frac{v^2}{r}$$The tangential acceleration $a_t$ changes the speed; the centripetal acceleration $a_c$ changes the direction and exists even when $\alpha=0$. A wheel of radius $0{,}3$ m spun from rest at $\alpha=2$ rad/s² has, after $5$ s, $\omega=10$ rad/s; a point on its rim moves at $v=3$ m/s with $a_t=0{,}6$ m/s² and $a_c=30$ m/s² — the centripetal part dominates almost immediately. The total acceleration of the point is the vector sum, $\sqrt{a_t^2+a_c^2}$, since the two are perpendicular.
Which direction is positive?
Pick counter-clockwise as positive unless told otherwise, and keep it. A wheel slowing while spinning clockwise has $\omega \lt 0$ and $\alpha \gt 0$ — the same "opposite signs mean slowing down" rule as in linear motion.
Bốn phương trình cũ khoác áo góc. Toạ độ góc $\theta$ (đo bằng radian), tốc độ góc $\omega=\Delta\theta/\Delta t$ và gia tốc góc $\alpha=\Delta\omega/\Delta t$ tuân đúng bộ phương trình gia tốc không đổi của Unit 1 với $x\to\theta$, $v\to\omega$, $a\to\alpha$: $\omega=\omega_0+\alpha t$, $\theta=\omega_0t+\tfrac12\alpha t^2$, $\omega^2=\omega_0^2+2\alpha\theta$. Luật đồ thị cũng giữ nguyên: độ dốc $\theta$–$t$ là $\omega$, độ dốc $\omega$–$t$ là $\alpha$, diện tích dưới $\omega$–$t$ là góc quay được. Thói quen mới duy nhất là đơn vị: đổi vòng sang radian ($1$ vòng $=2\pi$ rad) và rpm sang rad/s trước khi thay số.
Nối điểm trên vành với chuyển động quay: mọi điểm trên vật rắn cùng $\omega$, cùng $\alpha$, nhưng điểm càng xa trục đi càng nhanh: $s=r\theta$, $v=r\omega$, $a_t=r\alpha$, $a_c=r\omega^2$. Gia tốc tiếp tuyến $a_t$ đổi tốc độ; gia tốc hướng tâm $a_c$ đổi hướng và tồn tại cả khi $\alpha=0$. Bánh xe bán kính $0{,}3$ m quay từ nghỉ với $\alpha=2$ rad/s²: sau $5$ s có $\omega=10$ rad/s, điểm trên vành đi $3$ m/s với $a_t=0{,}6$ m/s² và $a_c=30$ m/s² — phần hướng tâm áp đảo gần như ngay lập tức. Hai gia tốc vuông góc nên gia tốc toàn phần là $\sqrt{a_t^2+a_c^2}$.
Chiều dương: chọn ngược chiều kim đồng hồ là dương rồi giữ nguyên. Bánh xe đang quay cùng chiều kim đồng hồ mà chậm lại thì $\omega \lt 0$, $\alpha \gt 0$ — cùng luật “trái dấu là chậm dần” như chuyển động thẳng.
Cánh quạt bán kính $0{,}5$ m đang quay ở $40$ rad/s thì tắt máy và chậm dần đều với $\alpha$ có độ lớn $4$ rad/s². (a) Bao lâu thì dừng? (b) Quay thêm được bao nhiêu vòng? (c) Ngay lúc tắt máy, gia tốc tiếp tuyến và gia tốc hướng tâm của đầu cánh là bao nhiêu?
Chọn chiều quay ban đầu là dương: $\omega_0=+40$ rad/s, $\alpha=-4$ rad/s² (ngược dấu vì chậm dần).
(a)
$$0=40-4t\ \Longrightarrow\ t=10\ \text{s}$$(b) Góc quay được:
$$\theta=\omega_0t+\tfrac12\alpha t^2=40(10)-\tfrac12(4)(10^2)=200\ \text{rad}$$$$\text{số vòng}=\frac{200}{2\pi}\approx31{,}8\ \text{vòng}$$(Kiểm bằng phương trình thứ ba: $0=40^2+2(-4)\theta\Rightarrow\theta=200$ rad — khớp.)
(c) Đầu cánh, $r=0{,}5$ m:
$$a_t=r|\alpha|=0{,}5(4)=2\ \text{m/s}^2,\qquad a_c=r\omega^2=0{,}5(40^2)=800\ \text{m/s}^2$$Gia tốc hướng tâm lớn gấp $400$ lần gia tốc tiếp tuyến — quạt chậm dần nhưng đầu cánh vẫn “bị kéo vào tâm” rất mạnh.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 5 — Torque and Rotational Dynamics gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.