從勻速直線運動的規律可知,物體通過相等的時間内,其位移的變化量是相等的,而且速度的大小和方向都不改變。将這一理論推廣到勻速圓周運動中時,其表述可以為:質點通過相等的時間内,其經過圓弧的變化量也是相等的。用數學公式表達為:S=V×T,其中S為圓弧,V為質點的線速度,其方向在圓弧的切線方向,T為時間。那麼,什麼質點呢?
在研究物體曲線運動的過程中,通常将物體作為質點。質點指的是一個有質量的點,隻有物體的體積和大小不考慮的情況下,物體才能作為質點。根據質點的定義,我們知道,如果一個圓盤在繞着一個中心軸做勻速圓周運動時,其在同一條直線上的質點的速度大小相等嗎?
在同一條直線(或同一半徑線)上的質點,在相同的時間内,它們掃過的圓弧是不相等的,根據速度V=S/T可得,圓盤周圍上的質點的線速度肯定大于圓盤内質點的線速度。因此,在同有半徑線上的質點的線速度是不相等的,但是每個質點都在做勻速圓周運動。
但是,在圓盤上,同一半徑上的質點的角速度卻是相等的。這是因為角速度隻與半徑在單位時間内掃過的角度有關,跟半徑的長度無關。角速度的數學公式為:ω=φ/T。式中ω為質點的角速度,φ為半徑掃過的弧度,T為時間。因此,做圓周運動的物體,其角速度與線速度是可以進行巧妙的轉化的。
在數學中,弧長等于弧度乘以半徑,所以φ=ω×T,再将此式乘以半徑就可以得出弧長,故而它們的轉化關系式就為ω×T×R=V×T,消掉等式兩邊的時間T,其等式就可以簡化為V=ω×R。因此,物體做勻速圓周運動時,其線速度等于角速度乘以半徑。雖然角速度的方向不好規定,但是線速度的方向總是沿着質點的切線方向,故而,勻速圓周運動是速度大小不變且方向時刻在變的勻變速圓周運動。
在這裡之所以說成是勻速圓周運動,是因為質點的線速度的瞬時速度大小沒有變,這樣的概述,也是為了人們方便理解而已。在勻速圓周運動中,質點的角速度與線速度都是描述質點轉動快慢的物理量,無論是角速度還是線速度,它們的數值越大,質點轉動得就越快。但是,研究物體轉動快慢的物理量還有很多的,例如周期。
周期顧名思義就是質點轉動一圈所用的時間,周期越短,物體轉動得越快,周期越長,物體轉動得越慢。如果一個物體一秒鐘内轉一萬圈的話,那麼用周期來描述物體轉動的快慢就沒有任何意義了。故而,此時還得引入一個物理量,即頻率。
在物理學中,頻率的大小為周期的倒數,即頻率f=1/T,其單位為Hz。但是,頻率的本質是指質點在單位時間内轉過的圈數。其實,開過汽車的人都知道,描述發動機的速度通常用轉速來表述,轉速實質上同頻率的表述是一樣的,隻是它的符号為小寫的n,單位為轉每秒,即r/s,因此,在實際的解題過程中,隻要告訴了你的轉速,就相當于告訴了頻率,就可以求出質點的線速度與角速度了。
勻速圓周運動中,是什麼在改變着速度的方向呢?關于這一點,本人在下面的文章中會有詳細的講述,歡迎浏覽。
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