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动力学

转动也有动能,½Iω²

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

转动的物体也蕴含能量——转动动能 ½Iω²。力矩做的功 W = Mθ 改变这能量,而滚动的物体同时拥有平动 ½mv² 与转动 ½Iω²。

转动也有动能——KE = ½ I ω²。这与直线的 ½mv² 形式相同,只是质量 m 换成 I、速度 v 换成 ω。增大 ω,KE 随 ω 平方增大。

正如直线运动中功为 W = F d,转动中力矩转过角 θ 所做的功是 W = M θ。拖动 θ,功成比例累积;功率为 P = M ω。

滚动物体同时拥有两种动能——中心的平动 ½mv² 与自转的转动 ½Iω²。滚动时 ω = vr,使转动部分为 ½βmv²,所以总动能 KE = ½mv²(1+β)。

沿斜面滚下时,势能 mgh 全部转为滚动动能 ½mv²(1+β)。但一部分变成转动,所以同样高度下到达速率比单纯滑行更慢。拖动 h。

所以即使从同一高度出发,不同形状的到达速率也不同——v = √(2gh(1+β))。β 小、被转动夺走能量最少的球最快,环最慢。选个形状比较一下。

实际应用总结一下,转动也能用能量来求解。转动动能为 KE = ½ I ω²,力矩做的功为 W = M θ,功率为 P = M ω。滚动物体同时拥有平动 ½mv² 与转动 ½Iω²,总动能 KE = ½mv²(1+β);在斜面上能量守恒 mgh = ½mv²(1+β),给出到达速率 v = √(2gh(1+β))——这正是 β 小的球最快的原因。至此,动力学的全貌就完整了。我们学了直线运动(位置、速度、加速度;ΣF=ma;功、能、动量),又把所有这些概念逐字搬到转动——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——同一套定律只是换了面貌反复出现,这就是核心。
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