Согласно уравнениям вращательного движения , момент импульса тела или системы тел сохраняется, если момент внешних сил, действующих на систему (замкнутая система тел). Тогда и . Наиболее часто встречается случай, когда в направлении некоторой оси, например Z, (система замкнута в направлении оси Z). В этом случае и .
В быстрых процессах (удар, столкновения тел) длительность процесса и согласно уравнению вращательного движения в интегральной форме или .
Пример 1. К концу нити, накрученной на цилиндрический блок радиуса R и массой M, привязано тело массой m. Тело поднимают на высоту и отпускают. После упругого рывка нити тело отскакивает на высоту (рис.65). Какое количество теплоты выделилось при рывке? Чему будет равна угловая скорость вращения блока сразу же после рывка?
Рис.65
Дано: . Найти:
Решение: Скорости тела до и после рывка нити равны и . Тепло, выделившееся при рывке, согласно закону сохранения энергии: .
Рывок нити – быстрый процесс, и при рывке имеет место закон сохранения момента импульса системы блок-тело: . Откуда угловая скорость вращения блока сразу же после рывка .
Ответ: .
Пример 2. Человек массой m стоит на краю круглой платформы массой M и радиусом R, вращающейся с угловой скоростью . Какой станет угловая скорость вращения платформы, если человек перейдет на расстояние R/2 от ее центра?
Дано: Найти:
Решение: В системе действуют только силы, параллельные оси вращения Z, перпендикулярной плоскости платформы. Поэтому имеет место закон сохранения момента импульса системы относительно оси Z. Начальный момент импульса системы . После перехода человека на середину платформы . Из условия получим , откуда .
Ответ: .
Пример 3. Человек массой m, находящийся на краю платформы массой M и радиусом R, начинает двигаться вдоль края платформы с линейной скоростью . Найти угловую скорость вращения платформы, считая человека материальной точкой. Может ли она быть больше угловой скорости движения человека?
Рис.66
Дано: Найти:
Решение: В системе действуют силы, параллельные оси вращения Z, перпендикулярной плоскости платформы(рис.66). Поэтому имеет место закон сохранения момента импульса системы относительно оси Z.
Задачу будем решать в векторной форме. В задаче две системы отсчета с общей осью вращения Z: неподвижная, связанная с землей, и вращающаяся, связанная с платформой. При движении человека с угловой скоростью относительно оси вращения платформы она придет во вращательное движение относительно земли с угловой скоростью , и угловая скорость человека относительно земли будет равна .
Момент импульса системы платформа-человек согласно закону его сохранения в СО, связанной с землей (параметры тел в законе сохранения в начальной его формулировке должны быть заданы в одной и той же СО), будет равен
.
Откуда угловая скорость вращения платформы . Знак минус говорит о том, что платформа и человек вращаются относительно оси Z в противоположных направлениях. В скалярной форме . Продифференцировав или проинтегрировав обе части этого равенства по времени, получим, что связь между ускорениями и иуглами поворота и человека и платформы вокруг оси Z будет иметь аналогичный вид. Отношение угловых скоростей платформы и человека . Это означает, что всегда .
Ответ: , всегда .