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动力学

转动动能

转动动能 ½Iω²,力矩做功 W=Mθ(P=Mω),滚动 KE=½mv²(1+β),能量守恒 mgh=½mv²(1+β),按形状的到达速率

转动的物体也储存着能量。陀螺或飞轮即使只在原地转动,要让它停下来也需要做功,这份能量就是转动动能 ½Iω²。改变这份能量的是力矩做的功 W = Mθ,也就是力矩乘以转过的角度。滚动的物体同时具有中心前进的平动动能和原地转动的转动动能,所以即使从同一高度滚下,到达时的速率也会因形状而不同。本讲从能量的角度重新看转动,把整个动力学串成一体。

转动也有动能,其值为 KE = ½ I ω²。它与直线运动的 ½mv² 形式相同,只是用转动惯量 I 代替了质量 m,用角速度 ω 代替了速度 v。用滑块增大 ω,圆盘转得更快,金色条表示的转动 KE 按 ω 的平方增大。角速度加倍,转动动能变为四倍。把转动惯量大的沉重飞轮高速转起来,就能储存大量能量,需要时再取出来,原因就在这里。

正如直线运动中功是 W = F d,转动中力矩转过角度 θ 所做的功是 W = M θ。用滑块增大转过的角度,金色的弧变宽,在恒定力矩下,绿色条表示的功随角度成正比地累积。转动中力矩扮演力的角色,角度扮演距离的角色,所以式子的形式保持不变。把这个功除以所用的时间就是功率,转动中 P = M ω,即力矩乘以角速度。汽车发动机的输出要同时用扭矩和转速来描述,也是因为这个关系。

滚动的物体同时具有两种动能:中心前进的平动动能 ½mv² 和原地转动的转动动能 ½Iω²。纯滚动时 ω = vr,所以转动部分为 ½βmv²,两者之和整理为 KE = ½mv²(1+β)。图中圆盘的 β 为 ½;用滑块改变速度,蓝色的平动部分和橙色的转动部分一起增长,但比例始终不变。所以以同样速度滚动的物体,比只滑动的物体动能更大。

沿斜面滚下时,顶端的势能 mgh 在底部全部转化为滚动动能 ½mv²(1+β)。上方的绿色条是出发时的势能,下方的条是到达时的动能,两根条始终一样长。用滑块改变高度 h,两根条一起伸缩,下方条中橙色的转动部分始终占同样的比例。由于有一部分能量转入了转动,即使从同一高度出发,到达时的速率也比无摩擦地滑下来时慢。

所以即使从同一高度出发,不同形状物体的到达速率也各不相同。到达速率为 v = √(2gh(1+β)),β 小、转动分走的能量少的球最快,圆环最慢。用按钮切换形状,绿色条表示该形状的到达速率,条上三个刻度中所选形状的刻度会加深显示。球的刻度在最右边,圆环的刻度在最左边,顺序一目了然。质量和半径不影响速率,只有形状,也就是质量如何分布,决定了顺序。

实际应用总结一下,转动也可以用能量来求解。转动动能 KE = ½ I ω²,力矩做的功 W = M θ,功率 P = M ω。滚动的物体同时具有平动的 ½mv² 和转动的 ½Iω²,总动能 KE = ½mv²(1+β);在斜面上,能量按 mgh = ½mv²(1+β) 守恒。由此得到到达速率 v = √(2gh(1+β)),β 最小的球最快,原因就在这里。到此为止就是动力学的全貌。我们学习了直线运动(位置、速度、加速度、ΣF=ma、功、能量、动量),然后把所有这些概念一个字母一个字母地搬到了转动中:x→θ,v→ω,a→α,m→I,F→M,p→L,½mv²→½Iω²。从质点到刚体,从运动学到动力学,从力到能量,同样的定律只是换了面貌反复出现,这就是这门课的核心。
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