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p. 1
交通大學 李威儀
Rotational Motion
轉動 與 圓周運動
http://blog.twpaddy.net/2005/08/blog-post_31.html
p. 2
交通大學 李威儀
QUIZ 姓名 學號
p. 3
交通大學 李威儀
(1) An object at rest in space explodes into three equal
parts. The velocities of two of them are, respectively, 2 i
and -4 j. Find the resulting velocity of the third part.
QUIZ 姓名 學號
p. 4
交通大學 李威儀
(2) Please compare the ( real ) gravitational force to the
( fictitious ) centrifugal force on the surface of the earth. This
comparison provides some insight into how much the earth
rotation affects what we observe.
p. 5
交通大學 李威儀
Fc =
(2) Please compare the ( real ) gravitational force to the
( fictitious ) centrifugal force on the surface of the earth. This
comparison provides some insight into how much the earth
rotation affects what we observe.
p. 6
交通大學 李威儀
Fc =
w =
(2) Please compare the ( real ) gravitational force to the
( fictitious ) centrifugal force on the surface of the earth. This
comparison provides some insight into how much the earth
rotation affects what we observe.
p. 7
交通大學 李威儀
Fc =
w =
Fc = ( assuming r = 108 m )
(2) Please compare the ( real ) gravitational force to the
( fictitious ) centrifugal force on the surface of the earth. This
comparison provides some insight into how much the earth
rotation affects what we observe.
p. 8
交通大學 李威儀
Fc =
w =
Fc = ( assuming r = 108 m )
Fg =
Fg / Fc =
(2) Please compare the ( real ) gravitational force to the
( fictitious ) centrifugal force on the surface of the earth. This
comparison provides some insight into how much the earth
rotation affects what we observe.
p. 9
交通大學 李威儀
簡介 及 假設
三種運動形式 :
translational motion, 平移運動 ( 移動 )
rotation, 旋轉運動 ( 轉動 )
vibration, 振動
假設這一章討論的轉動物体 :
是不會變形的硬体 沒有振動
其轉軸相對於轉動物体是固定的
p. 10
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旋轉的量測 ( Measurement of Rotation )
degrees ( o )
radians ( 無單位 )
在物理應用上對角度的使用單位以 radians 為主
旋轉一圈 ( 1 revolution ) = 360o = 2 p ( rad )
s = r q ( in radians )
s
r
q
s = x 2pr qo ( in degrees )
360o
q ( in radians ) = s / r
( 圓弧長 / 圓弧半徑 )
p. 11
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旋轉運動 ( Rotational Motion )
旋轉物体上各點的平移位移量 ( s ) 不一樣
但卻有相同的角度變化或角位移 ( q )
wav = Dq / Dt = ( qf – qi ) / ( tf – ti ) ( rad/s )
q = s / r
w (瞬時角速度) = lim Dq / Dt = d q / dt Dt 0
定義角速度為向量 , 其方向遵守右手定則
假如轉軸的方向在慣性座標中是固定的 :
Choose z as the direction of the rotation
axis
counter-clockwise rotation “ + ” w
clockwise rotation “ – “ w
w
x
y
z
r
s q
vT
p. 12
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• freq. f ( rev / sec ) = 1/T , T : period ( sec )
• for constant w, w = 2p / T = 2p f
Ex. If f = 1 rev/sec w = 2p rad/sec
• w = d q / dt = d ( s/r ) / dt = 1/r ( ds / dt ) = 1/r • v = 1/r • vT
vT = w r , if w is constant , r vT
tangent to the circle of motion
constantly changing direction
• angular acceleration
aav = Dw / Dt
vT = d s / dt : tangential velocity
a = d w / dt ( rad / s2 ) , 如轉軸的方向是固定的 a = d w / dt
p. 13
交通大學 李威儀
轉動方程式 ( Equations of Rotational Motion )
w – wo = at
q – qo = wot + ½ at2
w2 = wo2+ 2a ( q – qo )
一維運動公式 ( One-Dimensional Equation of Kinematics )
Linear ( a = constant )
v = vo + at
x = xo + vot + ½ at2
v2 = vo2 + 2a ( x – xo )
Rotation ( a = constant )
w = wo + at
q = qo + wot + ½ at2
w2 = wo2 + 2a ( q – qo )
x q
v w
a a
• for constant a :
a = dw / dt dw = a dt dw = a dt = a dt
w
wo
t
0
t
0
• dq = w dt = ( wo + at ) dt
q
qo
t
0
t
0
相對於平移運動的運動方程式
t = (w – wo) / a
p. 14
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向心加速度 ( Radial Acceleration )
ar = v2 / r = r w2 ( m /s2 ) 方向為指向旋轉軸心
Dr / r = Dv / v
( if v1 = v2 = v , at = 0 )
Dv = ( v / r ) | Dr |
as Dt 0 , Dr = v Dt
Dv / Dt = v2 / r
a = lim Dv / Dt Dt 0
( v = r w )
p. 15
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向心加速度 ( ar )
切線加速度 ( at )
ar = - w2 r
net linear acceleration : a = ar + at , a = ( ar2 + at
2 ) 1/2
at = r a
a = 0 , 等速率圓周運動
a 0
at
ar
r
vt
對於非等速率的圓周運動, 還必須考慮切線加速度
ar ar
ar
p. 16
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向心力 ( Centripetal Force ) 與 離心力 ( Centrifugal Force )
FR = m ar = m ( vt2 / r ) = m r w2 : 向心力
向心力的來源有各種可能性, 舉例來說 :
可以是 繩子的張力, 萬有引力, 或摩擦力
影片
fs : static friction
( the tires are momentarily at rest with respect to the road )
p. 17
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Ex. A small coin is placed at the rim of a turn table, with R = 10 cm
and v = 30 rev/min. Find the minimum coefficient of static friction
for the coin to stay on.
Fy = N – mg = 0
Fx = f = mv2 / r
f = m N = m mg = mv2 / r
m = v2 / rg , v = ( 30 x 2pr ) / 60 (sec/min) = pr
m = ( p2r ) / g = 0.15
N
mg
f a
y
x
摩擦力 向心力
F = N + W + f = m a
p. 18
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Fapp
f fs,max
= msN
(stick-slip)
smooth fk
at rest smooth sliding
vmax = 0 on flat and frictionless road
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
p. 19
交通大學 李威儀
Where is the needed
centripetal force ?
Not easy to figure out !
p. 20
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對於非等速率的圓周運動, 還必須考慮切線方向上所受的力
p. 21
交通大學 李威儀
p. 22
交通大學 李威儀
什麼是離心力 ?
離心力是在一個非慣性的旋轉座標中觀察到的一種假想力
舉例而言 :
由於旋轉中的物体是處於加速度 ( 向心加速度 ) 運動中的物体 , 因此若
要以旋轉中的座標為觀察座標 , 它將是一個非慣性觀察座標 , 在此非慣
性座標中觀察實際上以等速度運動的物体 , 會被以為受外力作用而處
在加速運動中 , 離心力的錯覺就是因此而出現的
p. 23
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The observer sees the extension of the spring and
concludes there is a force applied to the block.
http://memo.cgu.edu.tw/yun-
ju/cguweb/phychiu/H103CircularMotion/centrifugal.htm
p. 25
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究竟是什麼力讓你妳驚聲尖叫 ?
是離心力?
是什麼力讓飛行員在疾昇時昏厥 ?
p. 26
交通大學 李威儀
是什麼力讓它翻車的?
p. 27
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是什麼力讓它翻車的?
摩擦力 !
p. 28
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除了離心力之外 , 還有一個假想力產生 柯式力 Coriolis Force
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
p. 29
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萬有引力 與 軌道運動 ( Gravitation and Orbital Motion )
最重要的圓周運動之一就是行星或衛星運行的軌道運動
軌道運動中的向心力是由萬有引力提供的
牛頓則是第一個提出萬有引力這個觀念的人
F12 = F21 = F = , G = 6.67 x 10-11 N m2 / kg2 G m1 m2
r2
簡單的說萬有引力就是兩個質量 ( m1, m2 )之間的相互吸引力 , 其大小為 :
center of mass
CM
CM
p. 30
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Ex. 一個 100 kg 的男生和一個 100 kg 的女生相距 ( 66.7 )1/2公尺
他們之間萬有引力的大小為 F = ( 6.67 x 10-11 x 100 x 100 ) / 66.7
男女異性之間的吸引力應該不是萬有引力 !
F = ma a = 10-8 / 100 = 10-10 ( m/s2 )
r
F12 F21 m1
m2
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• 拋体運動 ( projectile motion ) 與 軌道運動 ( orbital motion )
牛頓也是第一個將萬有引力、 拋体運動與衛星軌道運動聯想在一起的人
只要有足夠大小的起始速度 軌道運動
假設圓心物体的質量 作軌道運動的衛星物体的質量
圓心物体靜止不動
( G M m ) / r2 = m v2 / r
vorb = ( GM / r )1/2 – 與衛星質量無關
– r vorb
( Person in the satellite feels
“weightless” because the person
is free falling along with the
satellite and experiences no force
of support from the satellite. )
r is
measured
from the
center of
the earth
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
p. 32
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- Kepler’s 3rd Law ( 西元 1618 年發現 )
k depends only on M
對太陽系的行星而言, k =
若T 與 r 為已知 M 可以計算得知
例如 : 知道月亮繞行地球的 T 及 r Mearth 可知
T ( period ) = 2pr / vorb = r3 2 p
G M 週期
T2 = r3 = k r3 4p2
GM
4p2
G Msun
r
M
Johannes Kepler, 1571 – 1630
Probably the first science fiction writer
“Solemnium” ( 1618 )
p. 33
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同步軌道通信衛星
T ( period ) = 2pr / vorb = r3 = 24 hours 2 p
G M 週期
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
p. 34
交通大學 李威儀
地球的轉動
p. 35
交通大學 李威儀
p. 36
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地球自轉
Fc = mv2/r = m w2 r
w = 2p (rad) / 24 (hrs) = 7.27 x 10-5 (rad/s)
rotational angular speed of the earth is very small
Fc = m x ( 3.37 x 10-2 m/s2 )
Fg = mg = m x ( 9.8 )
Fg / Fc = 9.8 / ( 3.37 x 10-2 ) = 290
Comparing the ( real ) gravitational force to the ( fictitious )
centrifugal force provides some insight into how much the
earth rotation affects what we observe.
p. 37
交通大學 李威儀
Typhoon Winnie ( 1997/8/13 )
in Northern Hemisphere
Storm in Southern
Hemisphere near New
Zealand ( 1973/12 )
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
p. 38
交通大學 李威儀
Long exposure photo
showing earth’s rotation
in the Star Trails.
p. 39
交通大學 李威儀
昏了 , 昏了
已經轉昏了 …..