Ruch obrotowy wygodnie jest rozpatrywać w układzie cylindrycznym przyjmując, że oś jest osią obrotu a ruch odbywa się w płaszczyźnie . Ruch płaski rozpatrywaliśmy już w lekcji drugiej stosując biegunowy układ współrzędnych i rozkładając wektor prędkości na składowe: radialną i transwersalną, wzór (2.22). Kiedy mamy do czynienia wyłącznie z ruchem obrotowym, to prędkość radialna równa jest zeru i wektor prędkości punktu materialnego może być zapisany w postaci
. | (5.1) |
---|
(5.2) |
Zwróćmy uwagę, że wartość wektora prędkości
kątowej równa jest pochodnej przemieszczenia kątowego względem czasu,
zaś jego kierunek pokrywa się z osią obrotu. Zwrot wektora zgodny jest
z regułą śruby prawoskrętnej. Przy zmianie kierunku ruchu obrotowego
zwrot tego wektora zmieni się na przeciwny. Jeżeli prędkość
kątowa zachowuje stałą wartość, to w ruchu tym możemy wyrazić moduł
prędkości kątowej jako
gdzie jest kątem
obrotu wykonanym w czasie .
Jednostką prędkości kątowej jest radian na sekundę. |
|
Rys. 5.2. Określenie wektora prędkości kątowej . |
(5.3) |
Kiedy prędkość kątowa zmienia się w czasie mówimy o ruchu obrotowym przyspieszonym. Przyspieszenie kątowe,, które charakteryzuje zmianę prędkości kątowej w czasie, określamy jako pochodną prędkości kątowej względem czasu, czyli drugą pochodną przemieszczenia kątowego względem czasu
(5.4) |
gdzie . Kierunek wektora przyspieszenia kątowego określony jest więc przez kierunek zmiany prędkości kątowej.
Wartości prędkości i przyspieszenia kątowego wiążą się z wartościami składowych prędkości i przyspieszenia, które określiliśmy w lekcji drugiej. Wykorzystując wzór (2.22) i przyjmując, że prędkość radialna równa jest zeru mamy
(5.5) |
Prędkość kątowa wiąże się ze składową normalną wektora przyspieszenia. Wykorzystując wzory (2.36) oraz (5.5) otrzymujemy
(5.6a) |
gdzie promień krzywizny toru we wzorze (2.36) odpowiada wartości bezwzględnej określonego wzorem (5.2) wektora .
Wartość przyspieszenia kątowego wiąże się ze składową styczną wektora przyspieszenia, wzór (2.36), zależnością
. |
(5.6b) |
przyjmujemy bowiem, że wartość nie zmienia się w czasie.