ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.01.2021
Просмотров: 69
Скачиваний: 1
Момент импульса
При
сравнении законов поступательного и
вращательного движений видна аналогия
между ними. Во вращательном движении
аналогом силы становится ее момент,
аналог массы - момент инерции. Какая же
величина будет аналогом импульса тела?
Это момент импульса тела относительно
оси.
Моментом
импульса (количества движения) материальной
точки А относительно неподвижной точки
О называется
физическая величина, определяемая
векторным произведением:
где r -
радиус-вектор, проведенный из точки О
в точку A, p=mv -
импульс материальной точки (рис. 1); L -
псевдовектор, направление которого
совпадает с направлением поступательного
движения правого винта при его вращении
от r к р.
Рис.1
Модуль
вектора момента импульса
где
α - угол между векторами r и р, l -
плечо вектора р относительно
точки О.
Моментом
импульса относительно неподвижной оси
z называется
скалярная величина Lz,
равная проекции на эту ось вектора
момента импульса, определенного
относительно произвольной точки О
данной оси. Момент импульса Lz не
зависит от положения точки О на оси
z.
При
вращении абсолютно твердого тела вокруг
неподвижной оси z каждая точка тела
движется по окружности постоянного
радиуса riсо
скоростью vi .
Скорость vi и
импульс mivi перпендикулярны
этому радиусу, т. е. радиус является
плечом вектора mivi .
Значит, мы можем записать, что момент
импульса отдельной частицы равен
(1)
и
направлен по оси в сторону, определяемую
правилом правого винта.
Монет
импульса твердого тела относительно
оси есть сумма моментов импульса
отдельных частиц:
Используя
формулу vi =
ωri,
получим
т.
е. 2)
Таким
образом, момент импульса твердого тела
относительно оси равен моменту инерции
тела относительно той же оси, умноженному
на угловую скорость. Продифференцируем
уравнение (2) по времени:
т.
е.
Эта
формула - еще одна форма уравнения
динамики вращательного движения твердого
тела относительно
неподвижной оси: производная момента
импульса твердого тела относительно
оси равна моменту сил относительно той
же оси.
Можно
показать, что имеет место векторное
равенство
(3)
В
замкнутой системе момент внешних
сил и откуда
(4)
Выражение
(4) представляет собой закон
сохранения момента импульса:
момент импульса замкнутой системы
сохраняется, т. е. не изменяется с течением
времени.
Закон
сохранения момента импульса также как
и закон сохранения энергии является
фундаментальным законом природы. Он
связан со свойством симметрии пространства
- его изотропностью,
т. е. с инвариантностью физических
законов относительно выбора направления
осей координат системы отсчета
(относительно поворота замкнутой системы
в пространстве на любой угол).
Здесь
мы продемонстрируем закон сохранения
момента импульса с помощью скамьи
Жуковского. Человек, сидящий на скамье,
вращающаяся вокруг вертикальной оси,
и держащий в вытянутых руках гантели
(рис. 2), вращается внешним механизмом с
угловой скоростью ω1.
Если человек прижмет гантели к телу, то
момент инерции системы уменьшится. Но
момент внешних сил равен нулю, момент
импульса системы сохраняется и угловая
скорость вращения ω2 увеличивается.
Аналогичным образом, гимнаст во время
прыжка через голову поджимает к туловищу
руки и ноги, с целью уменьшить свой
момент инерции и тем самым увеличить
угловую скорость вращения.
Рис.2
Сопоставим
основные величины и уравнения, определяющие
вращение тела вокруг неподвижной оси
и его поступательное движение (см таблицы
ниже).