Подробнее об угловом ускорении

Угловое ускорение тела, движущегося по окружности, определяет насколько изменяется скорость движения этого тела по окружности. Эту скорость также называют угловой скоростью. Когда мы говорим, что тело движется по окружности с ускорением, это может означать, что скорость уменьшается или увеличивается, но ускорение также может быть вызвано изменением направления движения. Движение по окружности характеризуется угловым ускорением, в то время как движение по прямой — линейным.

Угловое ускорение часто путают с центростремительным ускорением, которое вызвано центростремительной силой. Эта путаница происходит из-за того, что и угловое и центростремительное ускорение используют для описания движения по окружности. На рисунке центростремительная сила обозначена фиолетовым цветом (C), а центростремительное ускорение — голубым (D). В отличие от углового ускорения, центростремительное обозначает изменение скорости по касательной. Эту скорость также называют тангенциальной скоростью, то есть мгновенной линейной скоростью тела по касательной к окружности в точке, где тело в это время находится. На рисунке эта скорость обозначена темно-синим цветом (B).

Угловое ускорение параллельно силе, которая вызывает движение по окружности, и перпендикулярно радиусу вращения. На нашем рисунке угловое ускорение обозначено розовым цветом (A). Центростремительное ускорение, напротив, направлено к центру вращения, то есть перпендикулярно направлению движения тела. Из этого следует, что угловое ускорение перпендикулярно центростремительному.

Отличие углового и центростремительного ускорения также в силах, которыми оно ускорение вызвано. Как мы уже говорили, центростремительное ускорение зависит от центростремительной силы. Эта сила всегда направлена к центру вращения, и заставляет тело двигаться по окружности. Классический пример действия этой силы — в американских горках. Именно центростремительная сила не позволяет кабинкам упасть вниз, даже когда они движутся в перевернутом положении по окружности. Угловое ускорение, с другой стороны, вызвано силой, толкающей тело вперед.

Вычисляя угловое ускорение, также необходимо не перепутать его с центростремительным. Чтобы найти центростремительное ускорение, квадрат мгновенной линейной скорости делят на радиус вращения. Под радиусом вращения мы подразумеваем расстояние от тела до центра вращения. Из приведенной выше формулы следует, что чем больше радиус, тем меньше центростремительное ускорение. Угловое ускорение можно найти, поделив момент силы на момент инерции. Здесь под моментом силы мы подразумеваем свойство тел, благодаря которому они начинают вращаться, если к ним приложить силу. Момент инерции — наоборот мера инертности твердых тел при вращательном движении. То есть, зависимость между вращением тела и противодействием этому вращению аналогична подобной зависимости для прямолинейного движения, которая описана во втором законе Ньютона: F = ma, где a — это линейное ускорение, F — это сила, которая вызывает движение по прямой, а m — масса тела, которая как раз и влияет на то, как сильно тело противостоит движению.

Описанная выше зависимость между угловым ускорением, моментом силы и моментом инерции говорит о том, что. изменяя момент силы и момент инерции, мы можем манипулировать ускорением. То есть, чтобы ускорить движение тела нам необходимо увеличить силу, вызывающую движение по окружности, или уменьшить момент инерции, то есть сопротивление этому движению. Какую из этих двух величин изменить — зависит от ситуации, так как иногда проще изменить одну, а иногда — другую. Момент инерции зависит от веса и формы тела. Под формой подразумевается радиус от центра вращения до самой удаленной точки тела. Поэтому в некоторых случаях имеет смысл изменить вес или форму тела, чтобы не тратить дополнительную энергию на увеличение силы. В других случаях, наоборот, изменить форму или вес нет возможности, поэтому более целесообразно увеличить силу.

Применение

Угловое ускорение широко используют в разных отраслях, от аэродинамики до спорта.

Вращение в фигурном катании, танцах, гимнастике и нырянии — хороший пример использования ускорения. Спортсмены увеличивают или уменьшают скорость вращения, изменяя момент инерции. Например, чтобы ускорить вращение, спортсмен уменьшает свою массу отпуская груз, который держал до этого, или уменьшает радиус, прижимая руки и ноги к туловищу. Чтобы уменьшить массу, можно также отпустить партнера, с которым спортсмен до этого держался за руки. А для того, чтобы, например, увеличить момент силы во время вращения предмета по окружности, например бейсбольной биты, клюшки для гольфа, или футбольного мяча, спортсмен может приложить больше силы во время вращения или удара. Понимание взаимосвязи между угловым ускорением, моментом силы и моментом инерции позволяет спортсмену двигаться с наибольшим ускорением при наименьших затратах энергии.

В спорте, как и в повседневной жизни, люди и предметы чаще всего двигаются по сложной траектории, и это движение состоит из совокупности нескольких поворотов и вращательных движений с разными центрами вращения. Например, когда мы двигаем рукой, то мы часто вращаем ее вокруг плеча, локтя и запястья одновременно. Чтобы определить угловое ускорение для такого сложного движения, необходимо вычислить общий момент силы и общий момент инерции. Чтобы понять, как именно происходит такое движение, в биомеханике и при изучении движения тела в общем нередко воспроизводят условия, имитирующие реальные, и благодаря этому выделяют особенности движения. Такое моделирование помогает определить, каким образом можно помочь спортсменам двигаться оптимально и с меньшей потерей энергии. Также при этом можно понять, как уменьшить нагрузку на суставы. Это особенно важно знать при работе с пациентами и спортсменами, которые проходят курс реабилитации после травм.

Угловое ускорение широко используют в аэродинамике, где момент инерции и вес очень важны, так как именно они влияют на угловое ускорение, которое испытывает самолет во время движения. В зависимости от ситуации, это ускорение либо помогает, либо, наоборот, мешает движению. Движение самолета по курсу контролируют и корректируют с помощью вращательного движения относительно трех осей: оси тангажа, обозначенной A на иллюстрации и параллельной крыльям, оси крена (B), проходящей продольно через корпус самолета, от носа к хвосту, и оси рыскания (C), перпендикулярной осям крена и тангажа и проходящей вертикально через центр самолета. Угловое ускорение относительно оси крена зависит от конструкции крыльев, то есть от отношения между их длиной и шириной. Эту величину называют удлинением крыла. Если сравнить крылья одинакового веса и разной формы, то более длинные и узкие крылья с высоким коэффициентом удлинения крыла имеют меньшее ускорение, так как их момент инерции выше благодаря большему радиусу от точки вращения до самой отдаленной точки крыла. В некоторых случаях низкий коэффициент удлинения крыла необходим. Так, например, низкий коэффициент способствует изменению в лобовом сопротивлении и, при определенных условиях, помогает уменьшить это сопротивление и увеличить прочность несущей конструкции самолета, что важно для грузовых самолетов. При проектировании нового самолета коэффициент удлинения крыла определяют с учетом всех этих особенностей.

Чтобы определить ориентацию смартфона в пространстве, во многие из них устанавливают гироскопы, которые часто используют в совокупности с акселерометрами. Гироскоп определяет ориентацию тела по моменту импульса этого тела. Зная момент импульса, можно узнать угол вращения тела. На протяжении многих лет для определения положения летательного аппарата в пространстве использовали гироскопы на основе гиростабилизированной платформы в карданном подвесе. Обычно такие гироскопы представляют собой тяжелый диск, который с большой скоростью вращается и может принять любое положение. На гиростабилизированной платформе устанавливались датчики, которые измеряют углы между гироскопом и подвесами. То есть, эти датчики измеряют изменения углов крена, тангажа и рыскания изделия, на котором установлена такая платформа.

В современных смартфонах используют гироскопы на основе микроэлектромеханических систем или МЭМС, которые работают на полупроводниковых технологиях, без подвесной системы. В процессе работы они вибрируют на плоскости, которая соответствует их ориентации. Таким образом, датчик определяет положение смартфона в пространстве. Благодаря их маленькому размеру, гироскопы на основе МЭМС используют в бытовых электронных устройствах.

Гироскопы на основе МЭМС используются многими программами смартфонов, от игр и музыкальных программ до цифровых уровней. Благодаря встроенным гироскопу и акселероменту многие смартфоны можно также использовать вместо компьютерной мышки. Кроме этого, гироскоп и акселерометр используются для распознавания жестов при управлении смартофоном. Программы в смартфоне, которые пользуются информацией о положении телефона в пространстве, используют либо гироскоп либо акселерометр.

В игровом мире гироскопы используют не только в смартфонах и планшетах, но и в игровых приставках. Так, например, в контроллере приставки Wii установлен гироскоп, который позволяет игровым программам получать информацию о расположении в пространстве контроллера, а соответственно и игрока. Благодаря этому, появились спортивные игры, имитирующие реальные упражнения, например теннис, фитнес и танцы. Некоторые другие игровые приставки также используют гироскопы для аналогичных игр.