Въртене (ротация) — определение, ос на въртене и орбитално движение

Научете всичко за въртенето: дефиниция, ос на въртене, ъглов момент и орбитално движение с ясни примери — от въртене на тела до планетарни орбити.

Въртенето е движение на обект в кръг.

Двуизмерен обект се върти около център (или точка) на въртене. Триизмерен обект се върти около линия, наречена ос. Ако оста на въртене е вътре в тялото, се казва, че тялото се върти около себе си или се върти - което предполага относителна скорост и може би свободно движение с ъглов момент. Кръговото движение около външна точка (например Земята около Слънцето) се нарича орбита или по-правилно орбитално въртене.

Какво представлява въртенето

Въртенето е движение, при което всички точки на тялото описват кръгови или почти кръгови траектории около обща ос или център. При идеално твърдо тяло относителните разстояния между точките остават постоянни.

Основни величини и формули

• Ъглово положение (θ) — ъгълът, изминат от радиална линия до дадена точка.
• Ъглова скорост (ω) — скорост на промяна на ъгловото положение, измерва се в радиани за секунда (rad/s). За периодично движение ω = 2π / T, където T е периодът.
• Период и честота — период T е времето за едно пълно завъртане; честотата f = 1/T (в херци, Hz). Свързани са чрез ω = 2π f.
• Линейна скорост — точка, намираща се на разстояние r от оста, има скорост v = ω · r.
• Центростремително ускорение — a_c = ω^2 · r = v^2 / r; то е насочено към центъра на кръга.

Въртящи се твърди тела и динамика

При въртене на твърдо тяло важни са инертността и разпределението на масата около оста:

• Момент на инерция (I) — мярка за това колко трудно е да се промени ъгловата скорост; зависи от масата и отдалечеността ѝ от оста.
• Въртящ момент (торк) — τ = I · α, където α е ъгловото ускорение. Въртящият момент променя ъгловата скорост.
• Кинетична енергия на въртене — E = 1/2 · I · ω^2.
• Запазване на ъгловия момент — при отсъствие на външен въртящ момент сумарният ъглов момент L = I · ω се запазва (пример: фигурист, който прибира ръце — I намалява, ω се увеличава).

Видове въртене и специални явления

• Въртене около фиксирана ос — оста е закрепена, тялото се върти около нея (например въртене на колело).
• Свободно въртене — тялото може да променя ориентацията си в пространството; при това могат да възникнат пресесиия и нуттация (пример: въртене на гиоскоп или на планети с наклонена ос).
• Еднакво и нееднакво въртене — еднородно (константна ω) или с променяща се ω (ъглово ускорение).

Орбитално движение vs. въртене около собствена ос

Разликата между въртене и орбита (революция):

• Въртене около собствена ос — оста минава през тялото (например Земята се върти около своята ос, давайки ден и нощ).
• Орбитално движение — движение на едно тяло около друго поради гравитация (например Земята около Слънцето), наричано още орбита или орбитално въртене. Орбитите се описват с помощи на центростремителни сили и закони на небесната механика.

Единици и практически примери

• Често използвани единици: радиани в секунда (rad/s), градуси (°), обороти в минута (rpm) и херци (Hz).
• Пример: Земната ротация около собствената ос има период приблизително T ≈ 24 часа (ω ≈ 7.27·10^-5 rad/s), а орбиталният период около Слънцето е около 365.25 дни.
• При механични машини се срещат и практични приложения на формулите: v = ω r за периферната скорост на диск; а_c = v^2 / r за изчисляване на натоварване при кръгово движение.

Кратко практическо обобщение

Въртенето е фундаментален тип движение както в ежедневието (колела, ротори, играчки), така и в природата (планети, звезди). Разбирането на връзката между ъглови величини, линейни скорост и сили позволява проектиране на машини, анализ на стабилност на въртящи се тела и обяснение на явления като запазване на ъгловия момент, пресесия и орбитално движение.

Видове въртене

Завъртането около точка в една равнина може да бъде в посока, обратна на часовниковата стрелка, или в посока, обратна на часовниковата стрелка.

Авиация

В полетната динамика основните ротации са известни като наклон, преобръщане и отклонение. Терминът "ротация" се използва и в авиацията за обозначаване на възходящия наклон на самолета, особено при започване на основното изкачване за излитане. Същите термини се използват и за рибите, които се движат във водата.

Атракционни влакчета

Много от увеселителните влакчета се въртят. Виенското колело и колелото за наблюдение имат хоризонтална централна ос и успоредни оси за всяка гондола, където въртенето е противоположно, чрез гравитация или механично.

Спорт

Ротацията, обикновено наричана въртене, играе важна роля в много спортове. Топспин и бекспин в тениса. Английска, следваща и изтегляща в билярда и пула. Извити топки в бейзбола и спин боулинг в крикета. Греблата за тенис на маса са специализирани, за да позволят на играчите да въртят топката, докато я удрят.

Посоката на часовниковата стрелка

Търсене по буква