體育運動一般可以分為兩類:
沿某一方向移動的平移運動,如直行火車,
和
繞某一點(圓)移動的旋轉,例如轉彎的火車,
這兩類動作有各自的描述規則,并且可以相互轉化,即:
物體運動系統有兩個:平移系統+旋轉系統
概述:
我們一般都熟悉平移系統下的運動,比如長度、速度、力,這些都是平移系統下的概念。 但顯然,生活中有很多運動是以旋轉為主的,比如陀螺的運動。 當然,你可以用平移系統來分析陀螺儀的運動,但這會很復雜,所以為了簡單起見(其實更重要的原因是在旋轉中分析物理意義更清晰)系統),基于旋轉的運動是使用旋轉系統分析。
轉換:
我們可以用精確的數學手段來證明如何制作我們所熟悉的翻譯系統
速度、位移、力、質量
進入我們不熟悉的事物
但我覺得
你無法通過死記硬背來學習物理。
我寧愿從二元性原理的角度討論如何輕松轉化。
對偶原理:
有這樣一個重要的物理原理,叫做對偶原理。 其主要含義是:如果一個物理定律成立,那么與之具有“對稱意義”的物理定律也成立。 (不嚴謹,大概就是這樣)
以直線行駛的火車為例,我們要研究火車的運動(即對火車做動力學分析),即希望知道以下物理量:火車的速度,火車行駛了多遠(位移),是什么驅動火車前進或阻礙火車向前沖擊的大小(力),以及火車對運動變化的阻力(即慣性,以質量測量)。 同樣,如果我們想研究一個旋轉的陀螺儀,那么我們想知道陀螺儀旋轉的速度有多快(以角速度來衡量)、陀螺儀轉了多少圈或轉了多少角度(角位移)、是否驅動陀螺儀或阻礙陀螺儀。 運動(扭矩)的影響,以及陀螺儀對運動變化的阻力(即慣性,以慣性矩測量)。
顯然,火車的運動和陀螺儀的運動在一定意義上是對稱的,即存在以下對偶物理量:
速度 - 角速度
位移-角位移
力-力矩
質量-轉動慣量
關于扭矩:
其他三項都很容易理解。 讓我們簡單解釋一下什么是扭矩。
正如力代表對平動運動的影響,扭矩代表對旋轉運動的影響,顯然兩者是對偶的。
力矩M的定義:力F到力作用點的距離L,
即:M=F×L
注意M、F、L都是粗體字母,即都是向量。 × 為向量叉積運算,其大小為:
M=F·L·sin(θ),θ為力F與矢量距離L的夾角(稱為矢量直徑,即帶方向的距離),
(初中物理和高中物理一般都解釋為力與力臂的乘積,但其實可以畫圖看看是否存在sin(θ)關系)
至于為什么這么定義:
我不知道這個。 這個答案不能告訴你為什么扭矩是這樣定義的。 我只能說從數學上可以推導出這個定義是正確的(必要條件),但為什么這么定義(充分條件)我不知道。 我猜,定義它存在的目的是為了描述對旋轉運動的影響。 這個定義比較“自然”平動和轉動的定義,即符合物理直覺。
旋轉系統和平移系統中的物理定律:
從對偶原理可以看出,對偶系統中的物理定律也是對偶的,只是具體表現不同。
示例1:
位移=速度*時間【平移系統】
根據對偶原理一步寫成:
角位移=角速度*時間【旋轉系】
示例2:
速度變化=速度變化率(即加速度)*時間【平移系統】
角速度變化=角速度變化率(即角加速度)*時間【旋轉系統】
這些都是顯而易見的,對吧? 來來來,我來個大動作:
示例3:
F=m*a[平移系統中的牛頓第二定律]
M=I*β [旋轉系統中的牛頓第二定律],其中M是力矩,I是轉動慣量,β是角加速度
老司機坐穩,我繼續加速:
示例4:
F1=F2[平動系統中力的平衡條件(物體不動的條件)]
M1=M2【旋轉系統下扭矩平衡條件(物體不旋轉的條件)】
順便說一下,示例 4 回答了這個問題。 動力到動力臂的距離就是動力矩(因為有使物體運動的傾向,所以稱為動力矩。同理,另一個就是阻力矩)。 動力矩大于阻力矩時,就好像功率大于阻力,物體就旋轉(移動)。 注意,這里舉石頭的過程平動和轉動的定義,其實是一個比較“旋轉”的過程。
這種平移和旋轉的雙重性質可以很容易地將平移系統下的所有物理定律轉化為旋轉系統下的物理定律,例如動量守恒——角動量守恒就是一個很好的例子。
擴張:
顯然,平移系統和旋轉系統具有對偶性,但對偶性不僅僅指平移系統和旋轉系統。
比如電磁學中,電路和磁路也具有雙重屬性,所以電路中的電阻、電壓(壓降)、電流也有磁路中相應的磁阻和磁壓(最好是磁壓這個詞)。 我創造的應該叫磁壓降),磁通量等概念是對偶的,電路中的歐姆定律和其他定律也與磁路中的歐姆定律直接對偶。 可以說,對偶原理廣泛存在于物理學的各個方向,是物理學的基本原理之一。 但要用好它而不是不敢對偶或隨意對偶,需要建立一定程度的物理直覺。
我認為,
建立身體直覺,
這才是真正學習物理所應該學習的。
這種思維方式的鍛煉,
也是對不從事科學研究的普通人最好的回饋。
我來打個小廣告吧。 我自己寫了與高中物理有關的答案。 高中生讀了這些書應該會有所收獲。 記住不要只保存而不喜歡它們~