โมเมนตัมเชิงมุม
ปริมาณของการเคลื่อนที่แบบหมุน ซึ่งเท่ากับมวล (m) ในการเคลื่อนที่เชิงเส้น คือโมเมนต์ความเฉื่อย (I) ปริมาณของการเคลื่อนที่แบบหมุน ซึ่งเท่ากับความเร็ว (v) ในการเคลื่อนที่เชิงเส้น คือ ความเร็วเชิงมุม (ω) ดังนั้น วัตถุที่หมุนจะมีโมเมนตัมเชิงมุม ซึ่งสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ:
L = I ω
L = โมเมนตัมเชิงมุม (กก.ม. ² /วินาที), I = โมเมนต์ความเฉื่อย (กก.ม. ² ), ω = ความเร็วเชิงมุม (เรเดียน/วินาที)
ตัวอย่างโจทย์เกี่ยวกับโมเมนตัมเชิงมุม
ตัวอย่างโจทย์ข้อที่ 1.
อนุภาคหนึ่งมีมวล 0.5 กรัม เคลื่อนที่เป็นวงกลมด้วยความเร็วเชิงมุมคงที่ 2 เรเดียน/วินาที จงหาโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคนี้ ถ้ารัศมีของเส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคคือ 10 เซนติเมตร
วิธีการแก้:
โมเมนต์ความเฉื่อยของอนุภาค:
I = mr 2 = (0.5 x 10 -3 kg)(1 x 10 -1 m) 2 = (0.5 x 10 -3 kg)(1 x 10 -2 m 2 ) = 0.5 x 10 -5 kg m 2
ความเร็วเชิงมุมของอนุภาค:
ω = 2 ราด/วินาที
โมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาค:
L = (0.5 x 10 -5 kg m 2 )(2 rad/s) = 1 x 10 -5 kg m 2 /s
กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม
กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมกล่าวว่า ถ้าโมเมนต์ลัพธ์ของแรงที่กระทำต่อวัตถุแข็งเกร็งขณะหมุนเป็นศูนย์ โมเมนตัมเชิงมุมของวัตถุแข็งเกร็งขณะหมุนก็จะคงที่เสมอ กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมสามารถหาได้ทางคณิตศาสตร์โดยการปรับเปลี่ยนสมการของกฎข้อที่สองของนิวตันเกี่ยวกับโมเมนตัมเชิงมุม นี่คือสมการของ กฎข้อที่สองของ นิวตันเกี่ยวกับโมเมนตัมเชิงมุม:

ถ้าโมเมนต์ลัพธ์ของแรงเป็นศูนย์ สมการข้างต้นจะเปลี่ยนเป็น:

I t = โมเมนต์ความเฉื่อยสุดท้าย, I o = โมเมนต์ความเฉื่อยเริ่มต้น, ω t = ความเร็วเชิงมุมสุดท้าย, ω o = ความเร็วเชิงมุมเริ่มต้น, L t = โมเมนตัมเชิงมุมสุดท้าย, L o = โมเมนตัมเชิงมุมเริ่มต้น
ตัวอย่างโจทย์เกี่ยวกับกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม
ตัวอย่างโจทย์ข้อที่ 1.
แผ่นดิสก์ทรงกระบอกตันเนื้อเดียวกันกำลังหมุนรอบแกนของมันด้วยความเร็ว 4 เรเดียน/วินาที มวลและรัศมีของแผ่นดิสก์คือ 1 กิโลกรัมและ 0.5 เมตร ตามลำดับ ถ้าเหนือแผ่นดิสก์วางวงแหวนที่มีมวลและรัศมี 0.2 กิโลกรัมและ 0.1 เมตร ตามลำดับ และจุดศูนย์กลางของวงแหวนอยู่ที่...
เมื่ออยู่เหนือจุดศูนย์กลางของแผ่นดิสก์เล็กน้อย แผ่นดิสก์และวงแหวนจะหมุนไปพร้อมกันด้วยความเร็วเชิงมุม…..
วิธีการแก้:
โมเมนต์ความเฉื่อยของทรงกระบอกตัน: I = 1⁄2 mr² = 1⁄2 (1 kg)(0.5 m) ² = (0.5)(0.25) = 0.125 kg m²
โมเมนต์ความเฉื่อยของวงแหวน : I = mr 2 = (0.2 kg)(0.1 m) 2 = (0.2)(0.01) = 0.002 kg m 2
โมเมนตัมเชิงมุมเริ่มต้น (L 1 ) = โมเมนตัมเชิงมุมสุดท้าย (L 2 )
I 1 ω 1 = I 2 ω 2
(0.125 kg m 2 )(4 rad/s) = (0.125 kg m 2 + 0.002 kg m 2 )(ω 2 )
(0.5) = (0.127)(ω 2 )
ω 2 = 0.5 : 0.127
ω 2 = 4 เรเดียน/วินาที
คำถามและคำตอบเชิงแนวคิด
- โมเมนตัมเชิงมุมคืออะไร?
คำตอบ: โมเมนตัมเชิงมุมคือการวัดปริมาณการหมุนของวัตถุ โดยพิจารณาจากมวลและรูปร่างของวัตถุ มันเป็นค่าที่เทียบได้กับโมเมนตัมเชิงเส้นในเชิงการหมุน - โมเมนตัมเชิงมุมถูกกำหนดทางคณิตศาสตร์ได้อย่างไร?
คำตอบ: โมเมนตัมเชิงมุม (L) ถูกกำหนดดังนี้ ที่นี่มี คือเวกเตอร์ตำแหน่งจากแกนหมุนไปยังจุดที่กระทำ และ คือโมเมนตัมเชิงเส้น - โมเมนตัมเชิงมุมเป็นปริมาณสเกลาร์หรือปริมาณเวกเตอร์?
คำตอบ: โมเมนตัมเชิงมุมเป็นปริมาณเวกเตอร์ - หน่วยของโมเมนตัมเชิงมุมในระบบ SI คืออะไร?
คำตอบ: หน่วยของโมเมนตัมเชิงมุมในระบบ SI คือ กิโลกรัม-เมตรกำลังสองต่อวินาที (kg·m²)2/s) - โมเมนตัมเชิงมุมได้รับการอนุรักษ์อย่างไร?
คำตอบ: ในระบบปิดที่ไม่มีแรงบิดภายนอกมากระทำ โมเมนตัมเชิงมุมรวมจะคงที่เสมอ - หลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมคืออะไร?
คำตอบ: หลักการนี้กล่าวว่า โมเมนตัมเชิงมุมรวมของระบบปิดจะคงที่ เว้นแต่จะมีแรงบิดภายนอกมากระทำ - การหมุนตัวของนักสเก็ตลีลามีความสัมพันธ์กับโมเมนตัมเชิงมุมอย่างไร?
คำตอบ: เมื่อนักสเก็ตลีลาดึงแขนและขาเข้าใกล้ลำตัวขณะหมุนตัว พวกเขาจะลดโมเมนต์ความเฉื่อยลง ทำให้หมุนเร็วขึ้น นี่เป็นการแสดงให้เห็นถึงหลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม - ความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดและโมเมนตัมเชิงมุมคืออะไร?
คำตอบ: แรงบิด () คืออัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมเชิงมุม ในทางคณิตศาสตร์ . - วัตถุสามารถมีโมเมนตัมเชิงมุมได้โดยปราศจากความเร็วเชิงมุมได้หรือไม่?
คำตอบ: ไม่ ถ้าวัตถุมีโมเมนตัมเชิงมุม วัตถุนั้นก็จะมีอัตราเร็วเชิงมุมด้วย ขนาดและทิศทางของโมเมนตัมเชิงมุมขึ้นอยู่กับทั้งโมเมนต์ความเฉื่อยและอัตราเร็วเชิงมุม - โมเมนต์ความเฉื่อยส่งผลต่อโมเมนตัมเชิงมุมอย่างไร?
คำตอบ: โมเมนตัมเชิงมุม (L) คือผลคูณของโมเมนต์ความเฉื่อย (I) และความเร็วเชิงมุม (ω) การเพิ่มขึ้นของโมเมนต์ความเฉื่อยสำหรับความเร็วเชิงมุมที่กำหนด จะทำให้โมเมนตัมเชิงมุมเพิ่มขึ้น - ในกลศาสตร์ควอนตัม ความแตกต่างระหว่างโมเมนตัมเชิงมุมสปินและโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรคืออะไร?
คำตอบ: โมเมนตัมเชิงมุมสปินเป็นคุณสมบัติเฉพาะตัวของอนุภาค เช่น อิเล็กตรอน และไม่ได้เกิดจากการเคลื่อนที่ในอวกาศ ในทางกลับกัน โมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรเกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคไปรอบจุดศูนย์กลาง - โมเมนตัมเชิงมุมมีบทบาทอย่างไรในการก่อตัวของระบบดาวเคราะห์?
คำตอบ: เมื่อกลุ่มเมฆโมเลกุลยุบตัวลงเพื่อก่อตัวเป็นดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมจะทำให้สสารแผ่ราบออกเป็นแผ่นดิสก์รอบดาวฤกษ์ที่เพิ่งเกิดใหม่ ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการก่อตัวดาวเคราะห์ - ไจโรสโคปสามารถรักษาทิศทางในอวกาศได้อย่างไร?
คำตอบ: ไจโรสโคปที่กำลังหมุนอยู่มีโมเมนตัมเชิงมุม เมื่อแรงบิดภายนอกพยายามเปลี่ยนทิศทางการหมุนของมัน ไจโรสโคปจะเกิดการหมุนควง หรือเปลี่ยนแกนการหมุนไปในทิศทางตั้งฉากกับแรงบิดที่กระทำ เนื่องจากการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม - อะไรเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดการหมุนควงในลูกข่าง?
คำตอบ: การหมุนควงในลูกข่างเกิดจากแรงบิดเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อจุดศูนย์กลางมวลของลูกข่าง ซึ่งอยู่ห่างจากจุดหมุน แรงบิดนี้ส่งผลให้ทิศทางของโมเมนตัมเชิงมุมของลูกข่างเปลี่ยนไป ทำให้เกิดการหมุนควงขึ้น - ทำไมดาวฤกษ์จึงมีลักษณะแบนที่ขั้ว?
คำตอบ: ขณะที่ดาวฤกษ์หมุนรอบตัวเอง พวกมันจะได้รับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางที่ผลักดันสสารออกไปด้านนอก ผลกระทบนี้จะรุนแรงกว่าที่เส้นศูนย์สูตรมากกว่าที่ขั้วโลก ส่งผลให้ดาวฤกษ์มีรูปร่างแบนหรือรี - โมเมนตัมเชิงมุมมีความสัมพันธ์กับกฎข้อที่สองของเคปเลอร์อย่างไร?
คำตอบ: กฎข้อที่สองของเคปเลอร์กล่าวว่า ส่วนของเส้นตรงที่เชื่อมระหว่างดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์จะกวาดพื้นที่เท่ากันในช่วงเวลาที่เท่ากัน นี่เป็นผลมาจากหลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม - ทำไมแมวถึงลงพื้นด้วยเท้าเสมอเมื่อมันล้ม?
คำตอบ: แมวใช้หลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม โดยการบิดตัวและเปลี่ยนโมเมนต์ความเฉื่อยกลางอากาศ พวกมันสามารถปรับทิศทางตัวเองเพื่อลงจอดบนเท้าได้โดยไม่ขัดกับกฎการอนุรักษ์ - โมเมนต์แม่เหล็กมีความสัมพันธ์กับโมเมนตัมเชิงมุมในอิเล็กตรอนอย่างไร?
คำตอบ: โมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนเกิดจากสปินและโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจร โมเมนต์แม่เหล็กแปรผันตรงกับโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอน - โมเมนตัมเชิงมุมในระบบพิกัดเชิงขั้วคืออะไร?
คำตอบ: ในระบบพิกัดเชิงขั้ว โมเมนตัมเชิงมุม สำหรับมวลจุด สามารถแสดงได้ดังนี้ ที่นี่มี คือมวล คือระยะทางรัศมี และ คือความเร็วสัมผัส - เมื่อวัตถุสองชิ้นชนกัน โมเมนตัมเชิงมุมของระบบปิดจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร?
คำตอบ: ในระบบปิดที่วัตถุสองชิ้นชนกัน โมเมนตัมเชิงมุมรวมก่อนการชนจะเท่ากับโมเมนตัมเชิงมุมรวมหลังการชน โดยสมมติว่าไม่มีแรงบิดภายนอกกระทำต่อระบบ
ปัญหาและแนวทางแก้ไข
1. โจทย์:มวลจุด m = 2 กิโลกรัม เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v = 3 เมตร/วินาที ในวงกลมรัศมี r = 4 เมตร จงคำนวณโมเมนตัมเชิงมุมรอบจุดศูนย์กลางของวงกลม
วิธีแก้ปัญหา: = 2 × 4 × 3 = 24 kg.m² / s
2. โจทย์:ทรงกลมตันมวล 3 กิโลกรัม รัศมี 0.5 เมตร กำลังหมุนรอบเส้นผ่านศูนย์กลางด้วยความเร็วเชิงมุม ω = 2 เรเดียน/วินาที จงหาโมเมนตัมเชิงมุมของทรงกลมนี้
คำตอบ:สำหรับทรงกลมตัน
L=2/5×3×(0.5) 2 ×2=0.6 กก.ม. 2 /วินาที
3. โจทย์:มวลจุด 3 กิโลกรัม เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 4 เมตร/วินาที ในแนวเส้นตรง จงหาโมเมนตัมเชิงมุมของมวลจุดนั้น รอบจุดที่อยู่ห่างจากแนวการเคลื่อนที่ 5 เมตร
วิธีการแก้:
L = 3 × 4 × 5 = 60 กก.ม. ² /วินาที
4. โจทย์:แผ่นดิสก์มวล 5 กิโลกรัม รัศมี 3 เมตร กำลังหมุนด้วยความเร็วเชิงมุม 2 เรเดียน/วินาที จงคำนวณโมเมนตัมเชิงมุมของแผ่นดิสก์นี้
คำตอบ:สำหรับแผ่นดิสก์
L=1/2×5×3 2 ×2=45 กก.ม. 2 /วินาที
5. โจทย์:แท่งโลหะยาว 4 เมตร มวล 2 กิโลกรัม หมุนรอบปลายด้านหนึ่งด้วยความเร็วเชิงมุม 3 เรเดียน/วินาที จงหาโมเมนตัมเชิงมุมของแท่งโลหะนี้
คำตอบ:สำหรับแท่งโลหะที่ปลายด้านหนึ่ง
L=1/3×2×4 2 ×3=96 กก.ม. 2 /วินาที
6. โจทย์:การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมเชิงมุมจะเป็นเท่าใด หากวัตถุที่กำลังหมุนมีความเร็วเชิงมุมเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า?
คำตอบ:ความสัมพันธ์ระหว่างโมเมนตัมเชิงมุม (L) และความเร็วเชิงมุม (ω) คือถ้า ω เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า โมเมนตัมเชิงมุมก็จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเช่นกัน
7. โจทย์:ถ้าหากรัศมีของเส้นทางวงกลมของอนุภาคที่เคลื่อนที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ในขณะที่ความเร็วคงที่ โมเมนตัมเชิงมุมจะเปลี่ยนแปลงไปกี่เท่า?
คำตอบ:โมเมนตัมเชิงมุม, ถ้า r เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า, L ก็จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเช่นกัน
8. โจทย์:เด็กคนหนึ่งมวล 30 กิโลกรัม ยืนอยู่ที่ขอบของม้าหมุนซึ่งหยุดนิ่งอยู่ รัศมีของม้าหมุนคือ 2 เมตร ถ้าเด็กเริ่มวิ่งด้วยความเร็ว 2 เมตร/วินาที เทียบกับพื้นดินไปตามขอบ จงหาโมเมนตัมเชิงมุมของเด็กเทียบกับจุดศูนย์กลาง
วิธีแก้ปัญหา: = 30 × 2 × 2 = 120 kg.m² / s
9. โจทย์:ทรงกระบอกมวล 6 กิโลกรัม รัศมี 2 เมตร กำลังหมุนรอบแกนกลางด้วยความเร็วเชิงมุม 5 เรเดียน/วินาที จงคำนวณโมเมนตัมเชิงมุมของทรงกระบอกนี้
คำตอบ:สำหรับทรงกระบอก
= 1/2 × 6 × 2 2 × 5 = 120 กก.ม. ² /วินาที
10. โจทย์:โมเมนตัมเชิงมุมใหม่ของวัตถุจะเป็นเท่าใด หากโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุลดลงครึ่งหนึ่ง และความเร็วเชิงมุมเพิ่มขึ้นเป็นสามเท่า?
วิธีแก้ปัญหา:กำหนดให้ถ้าลดลงครึ่งหนึ่งและเพิ่มขึ้นเป็นสามเท่า ค่า ใหม่ จะเป็น1/2 × 3 = 1.5 เท่าของค่า L เดิม
11. โจทย์:ห่วงมวล 2 กิโลกรัม รัศมี 1 เมตร กำลังหมุนด้วยความเร็วเชิงมุม 4 เรเดียน/วินาที จงคำนวณโมเมนตัมเชิงมุมของห่วง
คำตอบ:สำหรับห่วง
L = 2 × 1 2 × 4 = 8 กก.ม. ² /วินาที
12. โจทย์:พัดลมมีใบพัดยาว 0.5 เมตร และมวลรวม 1 กิโลกรัม ถ้ามันหมุนด้วยความเร็วเชิงมุม 10 เรเดียน/วินาที จงหาโมเมนตัมเชิงมุมของมัน
วิธีแก้ปัญหา:สมมติว่าใบพัดของพัดลมเปรียบเสมือนแท่งที่หมุนรอบปลายด้านหนึ่ง ดังนั้น
= 1/3 × 1 × 0.5 2 × 10 = 0.833 กก.ม. ² /วินาที
13. โจทย์:จงคำนวณโมเมนตัมเชิงมุมของโลกเกี่ยวกับแกนหมุนของตัวเอง กำหนดให้: มวลของโลก 5.972 × 10²⁴กิโลกรัม , รัศมี , วินาที
คำตอบ:สมมติว่าโลกเป็นทรงกลมตัน
=2/5×5.972×10 24 ×(6371×10 3 ) 2 ×7.27×10 −5
14. โจทย์:เด็กคนหนึ่งเคลื่อนที่เข้าหาจุดศูนย์กลางของแท่นหมุน โมเมนตัมเชิงมุมจะเพิ่มขึ้น ลดลง หรือคงที่?
คำตอบ:โมเมนตัมเชิงมุมจะคงที่ เมื่อเด็กเคลื่อนที่เข้าหาจุดศูนย์กลาง โมเมนต์ความเฉื่อยจะลดลง เพื่อรักษาโมเมนตัมเชิงมุม ความเร็วเชิงมุมจึงต้องเพิ่มขึ้น ดังนั้น โมเมนตัมเชิงมุมจึงคงที่
15. โจทย์:ถ้าพลังงานจลน์ของวัตถุที่กำลังหมุนเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า โมเมนตัมเชิงมุมของวัตถุจะเปลี่ยนแปลงไปกี่เท่า?
วิธีแก้ปัญหา:พลังงานจลน์และโมเมนตัมเชิงมุมถ้าพลังงานจลน์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าและคงที่จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ซึ่งหมายความว่าเพิ่มขึ้นเป็นปัจจัย√ ดังนั้นก็จะเพิ่มขึ้นเป็นปัจจัย√ เช่น กัน
16. โจทย์:ล้อจักรยานมีรัศมี 0.3 เมตร และขอบล้อมีมวล 1.5 กิโลกรัม ถ้ามันหมุนด้วยความเร็วเชิงมุม 5 เรเดียน/วินาที จงหาโมเมนตัมเชิงมุมของล้อนั้น
วิธีแก้ปัญหา:สมมติให้ขอบเป็นห่วง
= 1.5 × 0.32 × 5 = 6.75 กก.ม. ² /วินาที
17. โจทย์:นักสเก็ตน้ำแข็งคนหนึ่งดึงแขนเข้าด้านในขณะที่กำลังหมุนตัว โมเมนตัมเชิงมุมของเธอจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร?
คำตอบ:โมเมนตัมเชิงมุมของนักสเก็ตยังคงเท่าเดิม การที่เธอหดแขนเข้ามาจะลดโมเมนต์ความเฉื่อยของเธอลง ทำให้เธอหมุนเร็วขึ้น (ความเร็วเชิงมุมเพิ่มขึ้น) เพื่อรักษาโมเมนตัมเชิงมุมของเธอไว้
18. โจทย์:ล้อช่วยแรงมีโมเมนต์ความเฉื่อย 0.2 kg.m²และกำลังหมุนด้วยความเร็วเชิงมุม 10 เรเดียน/วินาที จงหาโมเมนตัมเชิงมุมของล้อช่วย
วิธีการแก้:
= 0.2 × 10 = 2 กก.ม. ² /วินาที
19. โจทย์:ระบบหนึ่งมีแรงบิดภายนอกสุทธิกระทำต่อมันเท่ากับศูนย์ คุณสามารถพูดอะไรได้บ้างเกี่ยวกับโมเมนตัมเชิงมุมของระบบนี้?
คำตอบ:ถ้าแรงบิดภายนอกสุทธิเป็นศูนย์ ตามหลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม โมเมนตัมเชิงมุมรวมของระบบจะคงที่
20. โจทย์:มวลจุด m = 5 กิโลกรัม เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v = 3 เมตร/วินาที ตั้งฉากกับเส้นตรงที่เชื่อมระหว่างมวลจุดกับจุด P ถ้าจุด P อยู่ห่างจากมวลจุด 4 เมตร จงหาโมเมนตัมเชิงมุมของมวลจุดรอบจุด P
วิธีการแก้:
=5×4×3=60 กก.ม. 2 /วินาที