Mục lục bài họcĐang ở d06-b4
Conservation of Angular Momentum
The conservation law
If the net external torque about a chosen point is zero, then $d\vec L/dt=0$ and
$$\vec L_i=\vec L_f$$The three classic settings: (i) a skater pulling her arms in — internal forces only, so $I_1\omega_1=I_2\omega_2$; (ii) two disks pressed together — friction between them is internal, so $I_1\omega_1=(I_1+I_2)\omega_f$; (iii) a bullet embedding in a pivoted rod — the pivot exerts a large force, but that force acts at the pivot, so its torque about the pivot is zero.
Energy is a different question
Since $K=L^2/2I$, conserving $L$ while reducing $I$ increases $K$ — the skater's muscles do the work of pulling her arms inward against the centripetal requirement. In the disk and bullet cases $I$ increases, so $K$ drops: those are perfectly inelastic rotational collisions and the lost energy goes to heat and deformation.
Why linear momentum is usually not conserved here
In case (iii) the pivot delivers a large impulsive external force, so $\vec p$ of the system is not conserved even though $L$ about the pivot is. Choosing the pivot as the reference point is what makes the problem solvable.
Central forces and orbits
Gravity on a satellite always points along $\vec r$ toward the star, so $\vec\tau=\vec r\times\vec F=0$ and $L$ is conserved about the star:
$$m v_p r_p=m v_a r_a,\qquad \frac{dA}{dt}=\frac{L}{2m}=\text{constant}$$The second equation is Kepler's second law, and it is nothing but conservation of angular momentum written as a rate of swept area.
Định luật bảo toàn
Nếu momen lực ngoài tổng hợp đối với một điểm đã chọn bằng $0$ thì $d\vec L/dt=0$, tức
$$\vec L_i=\vec L_f$$Ba tình huống kinh điển: (i) người trượt băng thu tay — chỉ có nội lực, nên $I_1\omega_1=I_2\omega_2$; (ii) hai đĩa ghép vào nhau — ma sát giữa hai đĩa là nội lực, nên $I_1\omega_1=(I_1+I_2)\omega_f$; (iii) đạn cắm vào thanh có chốt quay — chốt tác dụng lực rất lớn, nhưng lực ấy đặt ngay tại chốt nên momen của nó đối với chốt bằng $0$.
Năng lượng là chuyện khác
Vì $K=L^2/2I$, giữ $L$ mà giảm $I$ thì $K$ tăng — cơ bắp người trượt băng đã sinh công để kéo tay vào trong. Ở trường hợp đĩa ghép và đạn cắm, $I$ tăng nên $K$ giảm: đó là va chạm mềm dạng quay, phần năng lượng mất đi biến thành nhiệt và biến dạng.
Vì sao động lượng thẳng thường không bảo toàn ở đây
Trong trường hợp (iii), chốt truyền một xung lực ngoài rất lớn, nên $\vec p$ của hệ không bảo toàn dù $L$ đối với chốt vẫn bảo toàn. Chọn chốt làm điểm mốc chính là nước cờ làm bài toán giải được.
Lực xuyên tâm và quỹ đạo elip
Lực hấp dẫn tác dụng lên vệ tinh luôn hướng dọc theo $\vec r$ về phía sao, nên $\vec\tau=\vec r\times\vec F=0$ và $L$ bảo toàn đối với sao:
$$m v_p r_p=m v_a r_a,\qquad \frac{dA}{dt}=\frac{L}{2m}=\text{hằng số}$$Phương trình thứ hai chính là định luật II Kepler — nó không phải luật riêng, mà chỉ là bảo toàn mômen động lượng viết dưới dạng tốc độ quét diện tích.
Thanh đồng chất $M=6$ kg, dài $L=2$ m, quay tự do quanh trục nằm ngang xuyên qua tâm thanh và vuông góc với thanh ($I=ML^2/12$). Một cục đất sét $m=0{,}5$ kg bay ngang với tốc độ $20$ m/s, đập vuông góc vào một đầu thanh và dính lại. Tính tốc độ góc ngay sau va chạm và phần động năng đã mất.
Bước 1 — chọn điểm mốc là chốt quay. Chốt truyền xung lực lớn nhưng momen của nó đối với chính chốt bằng $0$, nên $L$ đối với chốt bảo toàn. Động lượng thẳng thì không.
Bước 2 — trước va chạm. Chỉ cục đất sét mang mômen động lượng, với cánh tay đòn $b=L/2=1$ m:
$$L_i=mvb=0{,}5\times20\times1=10\ \text{kg·m²/s}$$Bước 3 — sau va chạm, hệ là thanh cộng đất sét dính ở đầu:
$$I_f=\frac{ML^2}{12}+mb^2=\frac{6(4)}{12}+0{,}5(1)^2=2+0{,}5=2{,}5\ \text{kg·m²}$$$$\omega=\frac{L_i}{I_f}=\frac{10}{2{,}5}=4\ \text{rad/s}$$Bước 4 — năng lượng. Trước: $K_i=\tfrac12(0{,}5)(20)^2=100$ J. Sau: $K_f=\tfrac12(2{,}5)(4)^2=20$ J.
Mất $80$ J, tức $80\%$ động năng ban đầu — hoàn toàn bình thường với va chạm mềm. Bỏ quên số hạng $mb^2=0{,}5$ trong $I_f$ sẽ cho $\omega=5$ rad/s, sai $25\%$: cục đất sét sau va chạm cũng là một phần của vật quay.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 6 — Energy and Momentum of Rotating Systems gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.