Наблюдая за прекрасным выступлением фигуристов получаешь поистине эстетическое удовольствие. Очень эффектно смотрятся вращения и прыжки. Если обратить внимание на технику исполнения, создается впечатление, что их как будто кто-то раскручивает, скорость вращения меняется. Почему?
Ответ на этот вопрос дает физика. Дело в законе сохранения момента импульса.
В этой статье последовательно разберемся с физическими характеристиками вращательного движения. В конце вы сможете посмотреть видео эксперимента, который ставят сами студенты на занятиях по физике в ТПУ, демонстрируя проявление закона сохранения момента импульса в жизни.
Рассмотрим случай, когда тело вращается вокруг неподвижной оси. При таком движении в течение времени изменяется угол поворота. При повороте тела на определенный угол каждая его точка проходит определенную дугу окружности S. Точки, расположенные на разных расстояниях от оси вращения, описывают различные по длине дУги, но угол один и тот же для всего тела. Быстрота изменения угла поворота характеризуется угловой скоростью. Угловая скорость может быть постоянной, а может изменяться. Быстроту изменения угловой скорости характеризуют угловым ускорением.
Что же является причиной возникновения у тела углового ускорения?
Вспомним, причиной появления ускорения тела при поступательном движении есть сила, приложенная к этому телу, а при вращательном движении причиной появления углового ускорения есть момент приложенной к нему силы. Т.е. важно не просто подействовать на тело силой, но и понимать куда её приложить, на какое расстояние от оси вращения. Например, чтобы легко открывалась дверь, ручку прикрепляют подальше от петель, тем самым увеличивая момент силы. Ещё одной величиной, характеризующей количество вращательного движения является вектор момента импульса L. Он зависит от того сколько массы вращается и как она распределена относительно оси вращения, т.е. зависит от момента инерции.
Момент инерции I - это мера инертности тела при вращательном движении, аналог массы при поступательном движении. Момент инерции зависит от формы тела, от того, как масса тела распределена относительно оси вращения.
Фигуристы, меняя расположение рук меняют именно момент инерции, при этом меняется и скорость вращения. Момент силы и момент импульса связаны уравнением (1) (см. слайд). Если момент внешних сил, действующих на тело, равен нулю (2), то и изменение момента импульса тоже равно нулю, так что если тело не вращается, то никакие силы, момент которых относительно какой-либо оси равен нулю, не могут заставить начать вращаться тело вокруг этой оси. Наоборот, если тело по каким-нибудь причинам уже вращается, то силы, момент которых относительно оси вращения равен нулю, не могут изменить момент импульса или прекратить вращение.
Такую систему можно назвать замкнутой системой, т.е. в которой моменты внешних сил равны нулю (или скомпенсированы).
Если пренебречь трением коньков о лёд и сопротивлением воздуха (точнее, тормозящим моментом силы сопротивления), то момент импульса не изменяется со временем (то есть выполняется закон сохранения момента импульса).
Перед вращением руки и ноги фигуристов разведены в разные стороны - момент инерции бОльший, затем, прижимая руки к корпусу они уменьшают момент инерции тела относительно вертикальной оси вращения. Так как это уменьшение момента инерции I, достигается не внешними, а внутренними силами, то момент импульса не может изменится. Поэтому угловая скорость вращения увеличивается во столько же раз, во сколько раз фигуристке удалось уменьшить момент инерции. Наоборот, перед завершением вращения, когда скорость нужно уменьшить, фигуристки широко расставляют руки, увеличивая момент инерции своего тела.
На практике Дмитрий не был фигуристом, но "испытал на себе этот закон".
А Вы можете привести свои примеры применения этого закона?
Пожалуйста, подпишитесь на канал, оцените статью 👍 и напишите комментарий. Вы очень поможете развитию моего проекта!
#физика #эксперимент #момент импульса #законы сохранения #физика в жизни #студенты #10 класс #самообразование #лекции по физике
