Likformig cirkulär rörelse

Artikel om den likformiga cirkelrörelsen

I vardagen stöter vi ofta på föremål som rör sig i en likformig cirkulär rörelse. Ett exempel på ett föremål som genomgår en likformig cirkulär rörelse är den andra visaren, minutvisaren och klockvisaren på den analoga klockan. Den andra visaren roterar alltid i en vinkel på 360 ^grader i 60 sekunder (en minut) eller roterar i en 6 ^graders vinkel i en sekund. Minutvisaren roterar alltid i en 360 ^graders vinkel i 60 minuter (en timme) eller roterar i en 6 ^graders vinkel i en minut. Timvisaren roterar också alltid 360 ^grader i 24 timmar (en dag). Om ett föremål rör sig i en regelbunden cirkel, såsom en andra visare, en minutvisare eller en klockvisare, sägs föremålen utföra en cirkulär rörelse. Kan du komma på exempel på föremål som rör sig i en cirkulär rörelse?

Definition av likformig cirkulär rörelse

Likformig cirkulär rörelse har två betydelser. För det första sägs ett objekt utföra en icke-likformig cirkulär rörelse om objektets hastighet alltid är konstant eller hastigheten för varje del av objektet alltid är konstant, så länge objektet rör sig i en cirkel. För det andra sägs ett objekt utföra en likformig cirkulär rörelse om objektets vinkelhastighet alltid är konstant. Vinkelhastighet är en vektorstorhet. Därför består vinkelhastighet av vinkelhastighetens storlek och riktning. För att bättre förstå innebörden av den likformiga cirkulärrörelsen, titta på följande illustration.

Vinkelhastigheten (ω) är konstant

Granska den andra nålen på en analog väggklocka. När den andra nålen roterar roterar alla delar av den andra nålen tillsammans, både de som är placerade i änden, i mitten och nära axeln. Eftersom alla delar av den andra nålen roterar tillsammans, så roterar även alla delar av sekundvisaren i en vinkel på 360 ^grader (ett varv) när den andra nålen roterar . När den andra nålen intar en vinkel på 36 ^{grader (ett varv) i 60}^sekunder (en minut), roterar även alla delar av den andra nålen 360 ^grader i 60 sekunder (en minut).

Den andra nålens vinkelhastighet är 6 ^o /s.

ω = vinkelhastighet, θ = vinkel, t = tid

Den andra nålens vinkelhastighet är alltid 6 ^o /s och riktningen för den andra nålens vinkelhastighet (rotationsriktning) är alltid konstant.

Hastigheten (v) är konstant

När den andra nålen roterar i 60 sekunder (en minut), roterar även alla delar av den andra nålen, antingen nära axeln eller långt ifrån axeln, i 60 sekunder (en minut). Även om tidsintervallet för alla delar av den andra nålen är detsamma, dvs. 60 sekunder, varierar längden på banan som passerar genom varje del av den andra nålen. Den del av den andra nålen som är nära axeln har en kortare bana, medan den del av den andra nålen som är långt ifrån axeln har en längre bana.

Se även Termometrar och temperaturskalor

v = hastighet, d = längd, t = tidsintervall, T = period (tiden som behövs för att rotera ett varv), r = avstånd från rotationsaxeln.

Baserat på hastighetsformeln kan man dra slutsatsen att hastigheten för varje del av den andra nålen beror på dess avstånd från rotationsaxeln (r). Ju längre bort från axeln (större), desto större är hastigheten. Även om hastigheten för varje del av nålen är olika, är hastigheten för varje del av nålen alltid konstant.

Centripetal acceleration

Det finns två typer av acceleration i en cirkulär rörelse, nämligen vinkelacceleration och linjär acceleration. Vinkelacceleration uppstår när vinkelhastigheten eller riktningen för vinkelhastigheten ändras. Istället för linjär acceleration uppstår acceleration när hastigheten eller hastighetsriktningen ändras. I den likformiga cirkulärrörelsen är vinkelhastigheten och riktningen för vinkelhastigheten alltid konstanta. Därför finns det ingen vinkelacceleration i den likformiga cirkulärrörelsen. I den likformiga cirkulärrörelsen är det bara hastigheten som alltid är konstant. Hastighetsriktningen förändras ständigt eller är inte konstant. Eftersom den linjära hastighetens riktning förändras ständigt måste det finnas en linjär acceleration i den likformiga cirkulärrörelsen.

Acceleration som uppstår på grund av förändringar i hastighetsriktningen kallas centripetalacceleration. Centripetalacceleration kallas också radialacceleration. Centripetalacceleration eller radialacceleration är en typ av linjär acceleration. Centripetalacceleration är en vektorstorhet. Därför har centripetalacceleration en magnitud och riktning.

Centripetalaccelerationens storlek:

Likformig cirkulär rörelse 3 Likformig cirkulär rörelse 4

a _c = magnituden av centripetalaccelerationen

v = hastighet

r = avstånd från axeln

ω = vinkelhastighet

Konceptuella frågor och svar om likformig cirkulär rörelse

Fråga: Vad menas med likformig cirkulär rörelse? Svar: Likformig cirkulär rörelse avser rörelsen hos ett objekt som rör sig med konstant hastighet i en cirkulär bana.
Fråga: Vilken typ av acceleration upplever ett objekt i likformig cirkulär rörelse? Svar: Ett objekt i likformig cirkulär rörelse upplever en centripetal acceleration som alltid är riktad mot centrum av den cirkulära banan.
Fråga: Hur förändras hastigheten hos ett objekt i likformig cirkulär rörelse? Svar: I likformig cirkulär rörelse förblir hastighetens storlek konstant, men dess riktning ändras kontinuerligt, därför är hastigheten inte konstant.
Fråga: Ange och förklara formeln för storleken på centripetalaccelerationen. Svar: Formeln för centripetalaccelerationens storlek är a = v²/r, där v är objektets hastighet och r är radien för den cirkulära banan. Denna formel representerar det faktum att accelerationen är direkt proportionell mot kvadraten av hastigheten och omvänt proportionell mot radien.
Fråga: Vad ger centripetalkraften för en planet som kretsar kring solen? Svar: Gravitationskraften mellan planeten och solen ger centripetalkraften som håller planeten i rörelse i sin omloppsbana.
Fråga: Vad skulle hända med en planets hastighet när den rör sig närmare solen i sin elliptiska bana? Svar: Enligt Keplers andra lag (arealagen) rör sig en planet snabbare när den är närmare solen och långsammare när den är längre bort.
Fråga: I vilket scenario blir centripetalkraften noll för ett objekt som rör sig i en cirkulär bana? Svar: Om objektet släpps från sin cirkulära bana blir centripetalkraften noll eftersom det inte längre finns någon kraft som drar objektet mot mitten.
Fråga: Vilken roll spelar friktion i den likformiga cirkelrörelsen hos en bil som rör sig runt en kurva? Svar: När en bil rör sig runt en kurva, ger friktionen mellan däcken och vägen den nödvändiga centripetalkraften för att hålla bilen i rörelse i en cirkulär bana.
Fråga: Kan ett föremål vara i jämvikt i likformig cirkulär rörelse? Svar: Nej, ett objekt i likformig cirkulär rörelse är inte i jämvikt eftersom det verkar en nettokraft på det (centripetalkraften) och en konstant förändring i dess hastighetsriktning.
Fråga: Vilken riktning har hastighetsvektorn i vilken punkt som helst i den cirkulära banan? Svar: Vid vilken punkt som helst i den cirkulära banan är hastighetsvektorn tangent till cirkeln och i rörelseriktningen.
Fråga: Hur kan man öka centripetalaccelerationen hos ett objekt i likformig cirkulär rörelse? Svar: Centripetalacceleration kan ökas genom att öka objektets hastighet eller genom att minska radien på den cirkulära banan.
Fråga: Är det möjligt för ett föremål att ha konstant hastighet men ändå accelerera? Förklara med hänvisning till likformig cirkulär rörelse. Svar: Ja, i likformig cirkulär rörelse rör sig ett objekt med konstant hastighet, men dess hastighet är inte konstant eftersom dess riktning förändras kontinuerligt. Hastighetsförändringen innebär en acceleration (centripetalaccelerationen).
Fråga: Utför centripetalkraften något arbete på ett föremål i likformig cirkulär rörelse? Svar: Nej, arbetet som utförs av centripetalkraften är noll eftersom kraften är vinkelrät mot rörelseriktningen, och arbete definieras som kraftkomponenten i rörelseriktningen.
Fråga: Vad händer med ett föremål i likformig cirkulär rörelse om centripetalkraften plötsligt försvinner? Svar: Om centripetalkraften plötsligt försvann, skulle objektet röra sig i en rak linje som tangenterar den cirkulära banan, enligt Newtons första rörelselag.
Fråga: Vad är formeln för centripetalkraft? Svar: Formeln för centripetalkraften är F = mv²/r, där m är objektets massa, v är hastigheten och r är radien för den cirkulära banan.
Fråga: Hur påverkar ett föremåls massa centripetalkraften vid likformig cirkulär rörelse? Svar: Centripetalkraften är direkt proportionell mot objektets massa. Om massan ökar, kommer även centripetalkraften att öka, givet att hastigheten och radien förblir konstanta.
Fråga: Beror rotationsperioden på objektets massa vid likformig cirkulär rörelse? Svar: Nej, rotationsperioden beror inte på objektets massa. Den beror bara på objektets hastighet och radien på den cirkulära banan.
Fråga: Vad är skillnaden mellan centripetalkraft och centripetalkraft? Svar: Centripetalkraften är den verkliga kraften som verkar mot cirkelns centrum och orsakar cirkulär rörelse. Centrifugalkraften, å andra sidan, är en fiktiv kraft som observeras i en roterande referensram och som verkar utåt, bort från rotationscentrum.
Fråga: Varför utför inte centripetalkraften något arbete i likformig cirkelrörelse? Svar: Centripetalkraften utför inget arbete i likformig cirkulär rörelse eftersom kraften alltid är vinkelrät mot objektets förskjutning. Eftersom arbete är punktprodukten av kraft och förskjutning, och cosinus 90 grader är noll, utförs inget arbete.
Fråga: Kan ett objekts hastighet i likformig cirkulär rörelse ändras? Svar: Vid likformig cirkulär rörelse är objektets hastighet konstant. Men om hastigheten skulle ändras skulle den inte längre betraktas som likformig cirkulär rörelse. Den skulle istället betraktas som icke-likformig cirkulär rörelse, vilket involverar både centripetal och tangentiell acceleration.