Движение по окружности. Линейная и угловая скорости при равномерном движении по окружности

Любое криволинейное движение можно представить приближен­но как движение по дугам некоторых окружностей. Именно поэтому Изучение его представляет значительный интерес. Можно привести много примеров движений тел, траекторией которых является окружность (движение самолета, описывающего «мертвую петлю», людей на карусели, мотоциклов на поворотах дороги и т. д.). При этом следует сделать следующее замечание. Если тело движется "По окружности, то, вообще говоря, различные его точки в одно и то же время проходят различные расстояния. Однако если радиус окружности значительно превосходит размеры тела, то можно описы­вать его движение как движение одной материальной точки. Движение материальной точки по окружности вполне характеризу­ется скоростью в каждой точке траектории. При равномерном вращении скорость изменяется только по направлению, а модуль скорости остается постоянным. Однако вычислить мгновенную скорость в каждой точке криволинейной траектории трудно и не всегда удобно. Поэтому для практических целей движение точки по ок­ружности принято характеризовать линейной (окружной) скоростью, которая является скалярной величиной и определяется дли­ной пути, пройденной точкой окружности за единицу времени.

По определению линейная скорость .

Другими величинами, характеризующими движение точки по окружности, являются угол поворота и угловая скорость.

При рассмотрении понятий линейной и угловой скорости можно применить самодельный прибор (Рис. 2). Прибор изготовляют из фанеры, устройство его ясно из рисунка. Различие линейной и угловой скоростей демонстрируется так: совмещают неподвижный радиус ОА с подвижным радиусом ОА₁, затем медленно и равно мерно поворачивают на некоторый угол и показывают криволинейную траекторию движения точки А – дугу АА₁ Сообщают, что отношение длины этой дуги > времени и дает линейную скорость точки А. Затем повторяют демонстрацию и обращают внимание учащихся на длину путей точек А, В и С, по-разному удаленных от оси вращения. Делают вывод о разном значении линейных скоростей этих точек. Равномерно вращая диск и обращая внимание на изменение угла пово­рота подвижного радиуса относительно неподвижного, можно дать понятие об угловой скорости. Медленнее и более быстрое движение диска проиллюстрирует движение с меньшей и большей угловыми скоростями. Наконец, если равномерно вращать диск так, чтобы он поворачивался за 1 с (по метроному) на угол в один ради­ан, можно дать понятие об единице угловой скорости — 1 рад/с.

Следует обратить внимание на то, что линейная и угловая скорос­ти – относительные величины. Чтобы показать, что линейная ско­рость материальной точки, движущейся по окружности, зависит от выбора системы отсчета, можно привести пример: «Безостановочная железная дорога» из книги Я. И. Перельмана [3]. Относительность угловой скорости можно пояснить таким примером. Земной шар в системе отсчета, связанной с Солнцем, имеет угловую скорость вра­щения вокруг своей оси 7,27×10^-5 рад/с. В системе же отсчета, связанной с каждым из нас, угловая скорость вращения Земли рав­на нулю.

Для закрепления знаний формул линейной и угловой можно предложить учащимся и такую задачу:

Найти угловую и линейную скорости искусственного спутника Земли, вра­щающегося по круговой орбите с периодом вращения Т=88 мин, если известно, что его орбита расположена на расстоянии 200 км от поверхности Земли в пло­скости экватора.