Artikkel ühtlase ringliikumise kohta
Igapäevaelus kohtame sageli objekte, mis liiguvad ühtlaselt ringjooneliselt. Üks näide objektist, mis teeb ühtlaselt ringjoonelist liikumist, on analoogkella teine nõel, minutinõel ja kellanõel. Teine nõel pöörleb alati 360 ° nurga all 60 sekundit (üks minut) või pöörleb 6 ° nurga all ühe sekundi jooksul. Minutinõel pöörleb alati 360 ° nurga all 60 minutit (üks tund) või pöörleb 6 ° nurga all ühe minuti jooksul. Tunninõel pöörleb samuti alati 360 ° 24 tundi (üks päev). Kui objekt liigub korrapärases ringis, näiteks teine nõel, minutinõel või kellanõel, siis öeldakse, et objektid teevad ringjoont. Kas oskate tuua näiteid objektidest, mis liiguvad ringjooneliselt?
Ühtlase ringliikumise definitsioon
Ühtlasel ringliikumisel on kaks tähendust. Esiteks öeldakse, et objekt teeb ebaühtlast ringliikumist, kui objekti kiirus või iga objekti osa kiirus on seni, kuni see liigub ringis, alati konstantne. Teiseks öeldakse, et objekt teeb ühtlast ringliikumist, kui objekti nurkkiirus on alati konstantne. Nurkkiirus on vektoriaalne suurus. Seega koosneb nurkkiirus nurkkiiruse suurusest ja suunast. Ühtlase ringliikumise tähenduse paremaks mõistmiseks vaadake järgmist illustratsiooni.
Nurkkiirus (ω) on konstantne
Vaadake analoogseinakella teist nõela. Kui teine nõel pöörleb, pöörlevad kõik teise nõela osad, nii otsas, keskel kui ka telje lähedal asuvad, koos. Kuna kõik teise nõela osad pöörlevad koos, siis kui teine nõel pöörleb 360 ° nurga (üks pööre) võrra, pöörlevad ka kõik sekundiosuti osad 360 ° nurga (üks pööre) võrra. Kui teine nõel võtab 60 sekundiks (üheks minutiks) 36 ° nurga, pöörlevad ka kõik teise nõela osad 60 sekundiks (üheks minutiks) 360 ° nurga all.
Teise nõela nurkkiirus on 6 o /s.
ω = nurkkiirus, θ = nurk, t = aeg
Teise nõela nurkkiirus on alati 6 o /s ja teise nõela nurkkiiruse suund (pöörlemissuund) on alati konstantne.
Kiirus (v) on konstantne
Kui teine nõel pöörleb 60 sekundit (üks minut), pöörlevad kõik teise nõela osad, kas telje lähedal või teljest kaugel, samuti 60 sekundit (üks minut). Kuigi teise nõela kõigi osade ajaintervall on sama, st 60 sekundit, on teise nõela iga osa läbiva trajektoori pikkus erinev. Teise nõela telje lähedal asuv osa on lühema trajektooriga, teljest kaugel asuv osa aga pikema trajektooriga.
v = kiirus, d = pikkus, t = ajaintervall, T = periood (ühe tiiru tegemiseks kuluv aeg), r = kaugus pöörlemisteljest.
Kiiruse valemi põhjal võib järeldada, et teise nõela iga osa kiirus sõltub selle kaugusest pöörlemisteljest (r). Mida kaugemal teljest (suurem), seda suurem on kiirus. Kuigi nõela iga osa kiirus on erinev, on nõela iga osa kiirus alati konstantne.
Tsentripetaalne kiirendus
Ringliikumisel on kahte tüüpi kiirendusi: nurkkiirendus ja lineaarkiirendus. Nurkkiirendus tekib siis, kui nurkkiirus ehk nurkkiiruse suund muutub. Lineaarse kiirenduse asemel tekib kiirendus siis, kui kiirus või kiiruse suund muutub. Ühtlases ringliikumises on nurkkiirus ja nurkkiiruse suund alati konstantsed. Seetõttu ei ole ühtlases ringliikumises nurkkiirendust. Ühtlases ringliikumises on ainult kiirus alati konstantne. Kiiruse suund muutub pidevalt või ei ole konstantne. Kuna lineaarkiiruse suund muutub pidevalt, peab ühtlases ringliikumises olema lineaarkiirendus.
Kiiruse suuna muutuste tõttu tekkivat kiirendust nimetatakse tsentripetaalkiirenduseks. Tsentripetaalkiirendust nimetatakse ka radiaalkiirenduseks. Tsentripetaalkiirendus ehk radiaalkiirendus on lineaarkiirenduse liik. Tsentripetaalkiirendus on vektoriaalne suurus. Seega on tsentripetaalkiirendusel suurus ja suund.
Tsentripetaalse kiirenduse suurusjärk:
a c = tsentripetaalse kiirenduse suurus
v = kiirus
r = kaugus teljest
ω = nurkkiirus
Ühtlase ringliikumise kontseptuaalsed küsimused ja vastused
- Küsimus: Mida mõeldakse ühtlase ringliikumise all? Vastus: Ühtlane ringliikumine viitab objekti liikumisele konstantsel kiirusel ringikujulisel trajektooril.
- Küsimus: Millist kiirendust kogeb objekt ühtlases ringliikumises? Vastus: Ühtlases ringliikumises olev objekt kogeb tsentripetaalset kiirendust, mis on alati suunatud ringjoone keskpunkti poole.
- Küsimus: Kuidas muutub ühtlase ringliikumise ajal objekti kiirus? Vastus: Ühtlase ringliikumise korral jääb kiiruse suurus konstantseks, kuid selle suund muutub pidevalt, seega ei ole kiirus konstantne.
- Küsimus: Kirjutage ja selgitage tsentripetaalkiirenduse suuruse valemit. Vastus: Tsentripetaalkiirenduse suuruse valem on a = v²/r, kus v on objekti kiirus ja r on ringjoone raadius. See valem väljendab asjaolu, et kiirendus on otseselt proportsionaalne kiiruse ruuduga ja pöördvõrdeline raadiusega.
- Küsimus: Mis annab Päikese ümber tiirlevale planeedile tsentripetaaljõu? Vastus: Päikese ja planeedi vaheline gravitatsioonijõud tekitab tsentripetaalse jõu, mis hoiab planeeti oma orbiidil liikumas.
- Küsimus: Mis juhtuks planeedi kiirusega, kui see oma elliptilisel orbiidil Päikesele lähemale liigub? Vastus: Kepleri teise seaduse (pindala seaduse) kohaselt liigub planeet kiiremini, kui see on Päikesele lähemal, ja aeglasemalt, kui see on Päikesest kaugemal.
- Küsimus: Millises stsenaariumis muutub tsentripetaaljõud ringikujuliselt liikuva objekti puhul nulliks? Vastus: Kui objekt oma ringteelt vabastatakse, muutub tsentripetaaljõud nulliks, kuna objekti keskpunkti poole tõmbavat jõudu enam pole.
- Küsimus: Milline roll on hõõrdumisel auto ühtlasel ringliikumisel mööda kurvi? Vastus: Kui auto liigub kurvis, annab rehvide ja tee vaheline hõõrdumine vajaliku tsentripetaalse jõu, et auto liiguks ringjoonel.
- Küsimus: Kas objekt saab ühtlase ringliikumise ajal olla tasakaalus? Vastus: Ei, ühtlaselt ringliikumisega objekt ei ole tasakaalus, sest sellele mõjub netojõud (tsentripetaaljõud) ja selle kiiruse suund muutub pidevalt.
- Küsimus: Mis on kiirusvektori suund ringjoone mis tahes punktis? Vastus: Ringjoone mis tahes punktis on kiirusvektor ringi puutuja ja liikumissuunas.
- Küsimus: Kuidas suurendada ühtlase ringliikumisega objekti tsentripetaalset kiirendust? Vastus: Tsentripetaalset kiirendust saab suurendada objekti kiiruse suurendamise või ringjoone raadiuse vähendamise teel.
- Küsimus: Kas on võimalik, et objektil on konstantne kiirus, aga samal ajal see kiirendab? Selgitage seda ühtlase ringliikumise abil. Vastus: Jah, ühtlases ringliikumises liigub objekt konstantse kiirusega, kuid selle kiirus ei ole konstantne, kuna selle suund muutub pidevalt. Kiiruse muutus viitab kiirendusele (tsentripetaalkiirendus).
- Küsimus: Kas tsentripetaaljõud teeb ühtlase ringliikumisega objektile mingit tööd? Vastus: Ei, tsentripetaaljõu tehtud töö on null, kuna jõud on liikumissuunaga risti ja töö on defineeritud kui jõu komponent liikumissuunas.
- Küsimus: Mis juhtub ühtlaselt ringliikumisega objektiga, kui tsentripetaaljõud järsku kaob? Vastus: Kui tsentripetaaljõud järsku kaoks, liiguks objekt Newtoni esimese liikumisseaduse kohaselt sirgjooneliselt ringikujulise trajektoori puutuja suunas.
- Küsimus: Mis on tsentripetaaljõu valem? Vastus: Tsentripetaaljõu valem on F = mv²/r, kus m on objekti mass, v on kiirus ja r on ringjoone raadius.
- Küsimus: Kuidas mõjutab objekti mass tsentripetaalset jõudu ühtlase ringliikumise korral? Vastus: Tsentripetaaljõud on otseselt proportsionaalne objekti massiga. Kui mass suureneb, suureneb ka tsentripetaaljõud, arvestades kiirust ja raadiust, mis jäävad konstantseks.
- Küsimus: Kas pöörlemisperiood sõltub ühtlase ringliikumisega objekti massist? Vastus: Ei, pöörlemisperiood ei sõltu objekti massist. See sõltub ainult objekti kiirusest ja ringjoone raadiusest.
- Küsimus: Mis vahe on tsentrifugaaljõul ja tsentripetaaljõul? Vastus: Tsentripetaaljõud on reaalne jõud, mis toimib ringi keskpunkti suunas, põhjustades ringliikumist. Tsentrifugaaljõud on seevastu pöörlevas taustsüsteemis täheldatud fiktiivne jõud, mis toimib väljapoole, pöörlemiskeskmest eemale.
- Küsimus: Miks tsentripetaaljõud ei tee ühtlase ringliikumise korral tööd? Vastus: Tsentripetaaljõud ei tee ühtlase ringliikumise korral tööd, kuna jõud on alati risti objekti nihkega. Kuna töö on jõu ja nihke skalaarkorrutis ning 90 kraadi koosinus on null, siis tööd ei tehta.
-
Küsimus: Kas ühtlase ringliikumise korral saab objekti kiirus muutuda? Vastus: Ühtlase ringliikumise korral on objekti kiirus konstantne. Kui aga kiirus muutuks, ei loetaks seda enam ühtlaseks ringliikumiseks. Selle asemel loetaks seda mitteühtlaseks ringliikumiseks, mis hõlmab nii tsentripetaalset kui ka tangentsiaalset kiirendust.
