引入
为什么门把手装在离门轴远的一端,而不是靠近铰链?
同样质量的圆盘和圆环,为什么圆环更难转起来?
花样滑冰选手收臂后为什么转得更快?
刚体转动是平动理论的“旋转版”。牛顿第二定律的每个量都能找到对应物:力对应力矩,质量对应转动惯量,速度对应角速度。找到对应关系,公式就不用死记。
正文
定义
刚体是形变可以忽略的物体,即物体内任意两点间距离保持不变。刚体的定轴转动指刚体绕固定轴转动,轴上各点不动。
力矩
定义
力矩是使刚体绕轴转动效果的量度: 单位是 。
其中 是从转轴到力的作用点的位矢, 是 与 的夹角。
称为力臂,即转轴到力的作用线的垂直距离。力臂越长,同样的力产生的力矩越大——这就是门把手装在外侧的原因。
力矩是赝向量,方向由右手定则确定,沿转轴方向。
转动惯量
定义
转动惯量是刚体转动惯性大小的量度: 单位是 。
转动惯量取决于两个因素:
- 总质量
- 质量相对转轴的分布——离轴越远,转动惯量越大
这就是圆环比同质量圆盘更难转的原因。
常见刚体的转动惯量:
| 刚体 | 转轴 | 转动惯量 |
|---|---|---|
| 细杆(长 ) | 过中心垂直杆 | |
| 细杆(长 ) | 过一端垂直杆 | |
| 圆环(半径 ) | 过中心垂直环面 | |
| 圆盘(半径 ) | 过中心垂直盘面 | |
| 实心球(半径 ) | 过球心 | |
| 薄球壳(半径 ) | 过球心 |
平行轴定理:刚体绕任意轴的转动惯量
其中 是绕过质心平行轴的转动惯量, 是两轴距离。这解释了细杆从中心转到端点时, 从 变成 。
刚体定轴转动定律
牛顿第二定律的转动形式:
合外力矩等于转动惯量乘以角加速度。
| 平动 | 转动 |
|---|---|
| 质量 | 转动惯量 |
| 速度 | 角速度 |
| 加速度 | 角加速度 |
| 动量 | 角动量 |
| 动能 | 转动动能 |
这张对照表是解决转动问题的核心工具。遇到陌生公式,先找它在平动中的对应物。
角动量定理与角动量守恒
角动量:
角动量定理(力矩的冲量等于角动量变化):
角动量守恒:合外力矩为零时,
花样滑冰选手收臂时 减小,为保持 不变, 必须增大,所以转得更快。这是角动量守恒最直观的演示。
转动动能与功
转动动能:
力矩做功:
转动动能定理:
柯尼希定理:刚体做一般运动时,总动能等于质心平动动能加绕质心转动动能:
飞轮储能正是利用巨大的 储存转动动能,同时稳定转速。
常见误区
| 错误 | 问题 |
|---|---|
| “力矩大物体转得快” | 力矩决定角加速度,不直接决定角速度 |
| “转动惯量只与质量有关” | 还与质量分布和转轴位置有关 |
| “角动量守恒要求力矩为零” | 是合外力矩为零,允许有力但力臂为零 |
引出
为什么细杆绕端点转动惯量是绕中心的 4 倍?
滚动问题中,平动动能和转动动能如何分配?
陀螺进动现象如何用角动量定理解释?