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角动量

Overview

资料来源:尼古拉斯 · 蒂蒙斯Asantha 库雷博士,物理系 & 天文,物理科学学院,加利福尼亚大学,加利福尼亚州欧文市

角动量也定义为产品的惯性矩和角速度的对象。像其线性的模拟,角动量被守恒的意思,体系的总角动量不会改变,如果在系统上有没有外部的扭矩。扭矩是旋转相当于一支部队。因为它是保守的角动量是物理学中一个重要的物理量。

这次实验的目标是衡量旋转杆的角动量,使用的角动量守恒来解释两个旋转的示威活动。

Principles

角动量可以写成:

Equation 1(方程 1)

Equation 2是惯性矩和Equation 3是角速度。惯性矩是大规模的旋转模拟的直线运动。它被有关旋转物体的质量分布和轴的旋转。较大惯量,更大的扭矩被需要能够在一个对象上造成角加速度。可以用右手定则来确定方向的角动量。当右手的手指卷曲方向旋转中方向的角动量, 的扩展的拇指点。

扭矩被定义为该产品应用于一些距离从旋转轴力:

Equation 4(公式 2)

Equation 5是施加的力和Equation 6到旋转轴之间的距离。如果扭矩作用于一个对象,该对象的角速度将改变,随着它的角动量。如果在对象上的力矩之和等于零,然后总角动量会保守,并将具有相同的最终值,像最初那样。

一个有趣的角动量守恒的例子可证明自行车轮子和一个旋转的椅子。轮子和坐在椅子上的人构成一个系统具有一些角动量。如果人适用的扭矩旋转的车轮,与轴线垂直,指向系统将获得角动量。如果该人然后翻转纺车,她便开始在她的椅子上的纺车相反的方向旋转。在这里,系统有角动量,由右手定则确定其方向。当车轮翻转了时,系统的角动量改变了方向。由于养护,从椅子开始旋转方向相反,使体系的总角动量是等于系统之前轮翻转了。

另一个示范的角动量守恒可以做旋转椅和两个砝码。如果权重伸出手臂的长度在旋转椅子上,然后引进接近胸部,,将增加角速度。发生这种情况是因为带来接近旋转轴的重量会减少系统的转动惯量。如果没有更多的力作用,旋转椅子上,然后在系统上的扭矩为零。角动量必须保持不变,有没有力矩,以及这种情况发生的唯一途径是角的速度增加。

在这个实验中,旋转杆连接到落锤。落锤将在棍上,提供力矩和角动量将在两个点来衡量: 第一次当体重下降一半,然后再一旦重量达到字符串的结尾。图像的实验设置,请参阅图 1

旋杆的转动惯量是Equation 7,其中Equation 8是杆的质量和Equation 9的长度是。实验发生之前,可以测量这些数量。要找到角速度Equation 3,将使用的旋转的运动学方程:

Equation 10.(方程 3)

方程 3指出,最后的角速度Equation 3等于初始角速度Equation 3加角加速度Equation 11,乘以时间。因为杆将开始休息时,Equation 12将等于零。角加速度Equation 11由定义的Equation 13,其中Equation 14是扭矩和Equation 2是惯性矩。扭矩是紧张导致的字符串,使活塞杆旋转,旋转轴到力的距离乘以重量的力量:Equation 15在滑轮上的力等于体重力: Equation 16 ,其中Equation 17是大众和Equation 18是重力加速度。半径Equation 6的扭矩会从伤口字符串到旋转轴的距离。

Figure 1
图 1。实验设置。插图: 1) 大环站,2) 扩展程序、 3) 旋转总装、 4) 体重和扭矩 5) 栏。

Procedure

1.测试的自行车轮的角动量守恒的理论。

  1. 当坐在一把椅子,可以自由旋转,开始旋转的自行车轮子,然后按住它的句柄,它的角动量的方向是垂直的。
  2. 按住轮由两个句柄,翻转轮子,其角动量指向相反的方向。请注意如何椅子将开始旋转。

2.测试的两个负重的角动量守恒的理论。

  1. 坐在一把椅子,可以自由旋转,抱两个重量在手臂的长度。
  2. 有一个伙伴得到椅子上旋转,然后再把权重靠近胸部。注意到增加的速度旋转的椅子。

3.测量旋转杆的角动量的变化。

  1. 测量杆和其质量的长度。使用一根米尺,衡量落锤的中间点和要引用马克垂直束带。计算杆的转动惯量。
  2. 将 200 g 添加到字符串的结尾和风到顶部。注意该字符串的中间点所在的位置。
  3. 释放的重量和测量要到一半的时候所花费的时间量,然后再到底部。做了三次,取平均的值。计算这两个点的角动量。
  4. 增加的重量在 500 克到字符串的末尾,然后重复步骤 3.3。
  5. 增加至 1,000 g 的重量,然后重复步骤 3.3。

Results

质量
(g)
角动量在半路
(公斤 m2) /s
在底部的角动量
(公斤 m2) /s
差异
(公斤 m2) /s
200 0.41 0.58 0.17
500 0.66 0.91 0.25
1,000 0.93 1.32 0.39

在第一步证实的角动量守恒的理论,从椅子开始旋转时车轮被翻转。在步骤二,角动量守恒的理论再次证实,从椅子开始旋转更快当权重被带来,降低了系统的转动惯量。在实验室的第三步,旋转杆增加的扭矩增加角动量。和其他的数量不变,角动量随时间线性增加。

Application and Summary

就像在旋转椅子上部分的实验室中,更改对象的惯性矩可以增加或减少该对象的角速度。花样滑冰运动员利用这个和会有时他们伸展双臂开始纺纱,然后使他们的武器接近他们的身体,会使他们更快地旋转。

为什么在运动时是来得容易到一辆自行车上的平衡?答案是角动量。当轮子不旋转时,很容易摔倒那辆自行车。一旦车轮处于运动之中,他们会有一定的角动量。越大,角动量,更大的扭矩是需要去改变它,所以很难翻的自行车。

如果踢足球四分卫没有放任何旋转在球上抛出,它的飞行将是不稳定,可能会错过其目标。要防止这种情况,四分卫使用他们的手指来获取足球纺纱时他们扔给它。当球旋转时,它在空中飞行时,它具有角动量,需要改变方向的角动量的扭矩。球不会摇摆不定,或在空中翻转。

在这个实验中,动量守恒的概念进行了测试,在两次示威。于一体,方向的角动量守恒的和在其他,震级守恒的。在实验的最后一部分,角动量对转矩的影响被测量。

Tags

Angular MomentumConservation Of Angular MomentumRotational DynamicsLinear MomentumNet External ForceNet External TorqueSpinning MassRotational MotionRadiusTranslational MomentumTangential VelocityAngular VelocityRight hand Rule

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0:03

Overview

0:57

Principle of Angular Momentum Conservation

2:17

Demonstration of Angular Momentum Conservation

4:32

Measurement of Angular Momentum for a Spinning Rod

6:21

Data Analysis and Results

7:54

Applications

9:01

Summary

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