体育运动一般可以分为两类:
沿某一方向移动的平移运动,如直行火车,
和
绕某一点(圆)移动的旋转,例如转弯的火车,
这两类动作有各自的描述规则,并且可以相互转化,即:
物体运动系统有两个:平移系统+旋转系统
概述:
我们一般都熟悉平移系统下的运动,比如长度、速度、力,这些都是平移系统下的概念。 但显然,生活中有很多运动是以旋转为主的,比如陀螺的运动。 当然,你可以用平移系统来分析陀螺仪的运动,但这会很复杂,所以为了简单起见(其实更重要的原因是在旋转中分析物理意义更清晰)系统),基于旋转的运动是使用旋转系统分析。
转换:
我们可以用精确的数学手段来证明如何制作我们所熟悉的翻译系统
速度、位移、力、质量
进入我们不熟悉的事物
但我觉得
你无法通过死记硬背来学习物理。
我宁愿从二元性原理的角度讨论如何轻松转化。
对偶原理:
有这样一个重要的物理原理,叫做对偶原理。 其主要含义是:如果一个物理定律成立,那么与之具有“对称意义”的物理定律也成立。 (不严谨,大概就是这样)
以直线行驶的火车为例,我们要研究火车的运动(即对火车做动力学分析),即希望知道以下物理量:火车的速度,火车行驶了多远(位移),是什么驱动火车前进或阻碍火车向前冲击的大小(力),以及火车对运动变化的阻力(即惯性,以质量测量)。 同样,如果我们想研究一个旋转的陀螺仪,那么我们想知道陀螺仪旋转的速度有多快(以角速度来衡量)、陀螺仪转了多少圈或转了多少角度(角位移)、是否驱动陀螺仪或阻碍陀螺仪。 运动(扭矩)的影响,以及陀螺仪对运动变化的阻力(即惯性,以惯性矩测量)。
显然,火车的运动和陀螺仪的运动在一定意义上是对称的,即存在以下对偶物理量:
速度 - 角速度
位移-角位移
力-力矩
质量-转动惯量
关于扭矩:
其他三项都很容易理解。 让我们简单解释一下什么是扭矩。
正如力代表对平动运动的影响,扭矩代表对旋转运动的影响,显然两者是对偶的。
力矩M的定义:力F到力作用点的距离L,
即:M=F×L
注意M、F、L都是粗体字母,即都是向量。 × 为向量叉积运算,其大小为:
M=F·L·sin(θ),θ为力F与矢量距离L的夹角(称为矢量直径,即带方向的距离),
(初中物理和高中物理一般都解释为力与力臂的乘积,但其实可以画图看看是否存在sin(θ)关系)
至于为什么这么定义:
我不知道这个。 这个答案不能告诉你为什么扭矩是这样定义的。 我只能说从数学上可以推导出这个定义是正确的(必要条件),但为什么这么定义(充分条件)我不知道。 我猜,定义它存在的目的是为了描述对旋转运动的影响。 这个定义比较“自然”平动和转动的定义,即符合物理直觉。
旋转系统和平移系统中的物理定律:
从对偶原理可以看出,对偶系统中的物理定律也是对偶的,只是具体表现不同。
示例1:
位移=速度*时间【平移系统】
根据对偶原理一步写成:
角位移=角速度*时间【旋转系】
示例2:
速度变化=速度变化率(即加速度)*时间【平移系统】
角速度变化=角速度变化率(即角加速度)*时间【旋转系统】
这些都是显而易见的,对吧? 来来来,我来个大动作:
示例3:
F=m*a[平移系统中的牛顿第二定律]
M=I*β [旋转系统中的牛顿第二定律],其中M是力矩,I是转动惯量,β是角加速度
老司机坐稳,我继续加速:
示例4:
F1=F2[平动系统中力的平衡条件(物体不动的条件)]
M1=M2【旋转系统下扭矩平衡条件(物体不旋转的条件)】
顺便说一下,示例 4 回答了这个问题。 动力到动力臂的距离就是动力矩(因为有使物体运动的倾向,所以称为动力矩。同理,另一个就是阻力矩)。 动力矩大于阻力矩时,就好像功率大于阻力,物体就旋转(移动)。 注意,这里举石头的过程平动和转动的定义,其实是一个比较“旋转”的过程。
这种平移和旋转的双重性质可以很容易地将平移系统下的所有物理定律转化为旋转系统下的物理定律,例如动量守恒——角动量守恒就是一个很好的例子。
扩张:
显然,平移系统和旋转系统具有对偶性,但对偶性不仅仅指平移系统和旋转系统。
比如电磁学中,电路和磁路也具有双重属性,所以电路中的电阻、电压(压降)、电流也有磁路中相应的磁阻和磁压(最好是磁压这个词)。 我创造的应该叫磁压降),磁通量等概念是对偶的,电路中的欧姆定律和其他定律也与磁路中的欧姆定律直接对偶。 可以说,对偶原理广泛存在于物理学的各个方向,是物理学的基本原理之一。 但要用好它而不是不敢对偶或随意对偶,需要建立一定程度的物理直觉。
我认为,
建立身体直觉,
这才是真正学习物理所应该学习的。
这种思维方式的锻炼,
也是对不从事科学研究的普通人最好的回馈。
我来打个小广告吧。 我自己写了与高中物理有关的答案。 高中生读了这些书应该会有所收获。 记住不要只保存而不喜欢它们~