Mục lục bài họcĐang ở d06-b3
Angular Impulse, Work Done by Torque and Rotational Power
Angular impulse
The rotational twin of $F\Delta t=\Delta p$ is
$$\tau\Delta t=\Delta L$$and, just as with force, when the torque varies the angular impulse is the area under a $\tau$–$t$ graph. A constant $3$ N·m torque applied for $4$ s changes the angular momentum of anything by $12$ kg·m²/s, whatever its shape. Dividing by $I$ then gives $\Delta\omega$ — so the same angular impulse spins a small $I$ up far more than a large one.
A particle moving in a straight line has angular momentum
This is the idea that trips most students. About a chosen point, a particle of mass $m$ and speed $v$ has
$$L=mvr_\perp$$where $r_\perp$ is the perpendicular distance from the point to the line of motion. A ball flying past a pivot at $4$ m/s and $1$ m off-line carries $L=m(4)(1)$ about that pivot even though it is not rotating. Because gravity and the pivot force produce no torque about the pivot during a brief collision, this $L$ is what is conserved when the ball hits a pivoted rod and sticks — while linear momentum is not conserved, since the pivot pushes on the rod with an external force.
Work and power of a torque
$$W=\tau\Delta\theta,\qquad P=\tau\omega$$These are $W=Fd$ and $P=Fv$ with the translation table applied, and $\Delta\theta$ must be in radians. Work done by a torque changes rotational kinetic energy: $\tau\Delta\theta=\Delta\left(\tfrac12I\omega^2\right)$. A motor delivering $20$ N·m at $300$ rpm ($\omega=\frac{2\pi\cdot300}{60}\approx31{,}4$ rad/s) has output power $P=20\times31{,}4\approx628$ W. The same torque at twice the speed is twice the power — which is why engine power ratings quote both a torque and an rpm.
Xung lượng góc: bản sao quay của $F\Delta t=\Delta p$ là $\tau\Delta t=\Delta L$; momen lực đổi theo thời gian thì xung lượng góc là diện tích dưới đồ thị $\tau$–$t$. Momen $3$ N·m tác dụng $4$ s đổi momen động lượng của bất kỳ vật nào đi $12$ kg·m²/s, bất kể hình dạng; chia cho $I$ mới ra $\Delta\omega$ — cùng xung lượng góc thì vật có $I$ nhỏ tăng tốc quay nhiều hơn hẳn.
Hạt đi thẳng vẫn có momen động lượng — ý làm nhiều học sinh vấp. So với một điểm đã chọn, hạt khối lượng $m$ tốc độ $v$ có $L=mvr_\perp$, với $r_\perp$ là khoảng cách vuông góc từ điểm đó đến đường đi. Quả bóng bay ngang qua trục ở $4$ m/s, cách trục $1$ m, mang $L=m(4)(1)$ so với trục dù nó không hề quay. Trong va chạm ngắn, trọng lực và lực trục không sinh momen so với trục, nên $L$ này bảo toàn khi bóng đập vào thanh có trục và dính lại — còn động lượng thẳng thì không bảo toàn, vì trục đẩy thanh bằng ngoại lực.
Công và công suất của momen lực: $W=\tau\Delta\theta$, $P=\tau\omega$ — chính là $W=Fd$ và $P=Fv$ qua bảng dịch, $\Delta\theta$ phải là radian. Công của momen đổi động năng quay: $\tau\Delta\theta=\Delta(\tfrac12I\omega^2)$. Động cơ $20$ N·m ở $300$ rpm ($\omega\approx31{,}4$ rad/s) phát $P\approx628$ W; cùng momen ở tốc độ gấp đôi thì công suất gấp đôi — vì thế thông số động cơ luôn ghi cả momen lẫn vòng tua.
Thanh đồng chất $M=2$ kg, dài $L=1$ m, quay tự do quanh trục nằm ngang ở một đầu ($I_{\text{thanh}}=\tfrac13ML^2$), ban đầu treo thẳng đứng đứng yên. Quả bóng đất sét $m=0{,}5$ kg bay ngang với $v=4$ m/s đập vào đầu dưới của thanh và dính lại. Tìm tốc độ góc của hệ ngay sau va chạm, và cho biết đại lượng nào không bảo toàn.
So với trục, lực của trục và trọng lực không sinh momen trong khoảnh khắc va chạm, nên momen động lượng bảo toàn. Trước va chạm chỉ có bóng, đi thẳng cách trục $r_\perp=L=1$ m:
$$L_i=mvr_\perp=0{,}5(4)(1)=2\ \text{kg·m}^2/\text{s}$$Sau va chạm, bóng dính ở đầu thanh nên thành khối lượng điểm cách trục $L$:
$$I=\tfrac13ML^2+mL^2=\tfrac13(2)(1)+0{,}5(1)=\tfrac23+\tfrac12=\tfrac76\ \text{kg·m}^2$$$$L_i=I\omega\ \Longrightarrow\ \omega=\frac{2}{7/6}=\frac{12}{7}\approx1{,}71\ \text{rad/s}$$Không bảo toàn: động lượng thẳng (trục tác dụng ngoại lực lên thanh) và động năng (va chạm mềm: trước $4$ J, sau $\tfrac12(\tfrac76)(1{,}71^2)\approx1{,}7$ J).
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 6 — Energy and Momentum of Rotating Systems gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.