Vận tốc góc

Trong vật lý, vận tốc góc là một đại lượng véc tơ cho biết một góc thay đổi nhanh như thế nào theo thời gian quanh một trục. Kí hiệu công thức của nó là ${\vec {\omega }}$ (omega bé). Đơn vị SI của vận tốc góc là ${\frac {rad}{s}}$ . Nó đóng một vai trò đặc biệt trong các phép quay vì thế còn được gọi là vận tốc quay hoặc tốc độ xoay. Trong nhiều trường hợp mà phương hướng của trục quay không thay đổi trong hệ quy chiếu, thì việc sử dụng kí hiệu vô hướng đại diện cho lượng vectơ là đủ.

Định nghĩa

Vận tốc góc

Vận tốc góc ${\vec {\omega }}$ được biểu diễn bằng một vectơ giả, cho biết hướng của trục quay và tốc độ của chuyển động quay. Hướng của vectơ giả được định hướng sao cho chỉ ra hướng quay theo quy tắc mở nút chai. Lượng của vận tốc góc $\omega =\left|{\vec {\omega }}\right|$ bằng với đạo hàm của góc quay $\varphi$ sau thời gian $t$ :

$\omega ={\frac {\mathrm {d} \varphi }{\mathrm {d} t}}$

Với vận tốc góc không đổi (ví dụ: trong chuyển động tròn đều) thì

$\omega ={\frac {2\pi }{T}}$

bởi vì với chu kỳ $T$ thì sẽ quét được góc 2 $\pi$ .

Với chuyển động tròn phẳng, hướng thay đổi vận tốc đường đi tức thời của một điểm có cùng vận tốc góc với vectơ bán kính của điểm. Trong trường hợp đường cong trong không gian, điều này áp dụng cho vòng tròn hiện tại. Do đó, sự thay đổi theo hướng của tốc độ quét cũng có thể được sử dụng để xác định tốc độ góc. Nó kết quả trực tiếp từ dữ liệu của đường dẫn và không yêu cầu xác định trục quay.

Số lượng $\omega$ vận tốc góc chủ yếu được sử dụng trong các quá trình trong đó trục quay không thay đổi. Sự thay đổi hướng và/hoặc độ lớn của vận tốc góc là kết quả của gia tốc góc.

Vận tốc quỹ đạo

Mỗi điểm của hệ quay đều mô tả một đường tròn mà mặt phẳng của nó vuông góc với trục quay. Tốc độ quỹ đạo điểm ${\vec {v}}$ trên vòng tròn này là

$v=\omega \,r_{\perp }$

ở đây $r_{\perp }$ là bán kính của chuyển động tròn. Bởi vì trong khoảng vô cùng bé $\mathrm {d} t$ thì $\mathrm {d} s=r_{\perp }\,\mathrm {d} \varphi =r_{\perp }\,\omega \,\mathrm {d} t$ .

Nếu gốc $O$ của hệ tọa độ nằm trên trục quay, khi đó vận tốc quỹ đạo về hướng và lượng bằng với tích chéo của vận tốc góc và vectơ vị trí:

${\vec {v}}={\vec {\omega }}\times {\vec {r}}$ .

bởi vì khoảng cách từ trục là

$r_{\perp }=r\,\mathrm {sin} \vartheta$

với góc cực $\vartheta$ là khoảng cách góc không đổi giữa trục quay và vectơ vị trí đến điểm đang xem xét.

Việc xem xét tốc độ thay đổi của vectơ vị trí này áp dụng cho bất kỳ vectơ nào có thể xoay, ví dụ: B. cho các vectơ cơ sở ${\vec {e}}'_{i}$ ( $i\in \{x,y,z\}$ ) của một hệ quy chiếu xoay. Vận tốc thay đổi của nó là ${\frac {\mathrm {d} {\vec {e}}'_{i}}{\mathrm {d} t}}\,=\,{\vec {\omega }}\times {\vec {e}}'_{i}$

Vận tốc góc theo đường ngắm

Chuyển động phẳng

Vectơ vận tốc v của một hạt P liên quan đến một người quan sát O có thể được phân tích trong tọa độ cực. Thành phần xuyên tâm của vectơ vận tốc không thay đổi hướng của đường ngắm. Biểu thức tồn tại giữa thành phần tiếp tuyến và tốc độ góc của tia ngắm:

$\mathrm {v} _{\perp }={\frac {d\phi }{dt}}\,r=\omega \cdot r$

Cần lưu ý rằng vận tốc góc theo đường ngắm phụ thuộc vào vị trí (tùy ý) của người quan sát.

Chuyển động trong không gian

Trong không gian ba chiều, vận tốc góc được đặc trưng bởi lượng và hướng của nó.

Như trong trường hợp hai chiều, hạt có một thành phần của vectơ vận tốc theo hướng của vectơ bán kính và một thành phần khác vuông góc với nó. Mặt phẳng có vectơ hỗ trợ ${\vec {0}}$ (vị trí của người quan sát) và vectơ chỉ phương ${\vec {r}}$ và ${\vec {v}}_{\perp }$ định nghĩa một mặt phẳng quay trong đó chuyển động của hạt xuất hiện trong một khoảnh khắc như trong trường hợp hai chiều. Trục quay khi đó vuông góc với mặt phẳng này và định nghĩa hướng của vectơ vận tốc góc tức thời. Vectơ bán kính và vận tốc được giả định là đã biết. Ta có biểu thức: