
【机】 angular harmonic motion
corner; angle; cape; contend; horn; wrestle; role
【医】 angle; anguli; angulus; Broca's angle; cornu; cornua; gonio-; horn
【电】 harmonic motion
角谐运动(Angular Harmonic Motion)是物理学中描述物体绕固定轴做周期性角度振动的运动形式,其运动规律与线性简谐振动(Simple Harmonic Motion)相似,但变量为角位移而非线位移。以下是详细解释:
基本定义
角谐运动指物体受回复力矩作用,且力矩大小与角位移成正比、方向相反时,围绕平衡位置所做的周期性角振动。其动力学方程为:
$$ tau = -kappa theta $$
其中 (tau) 为力矩,(kappa) 为扭转常数(torsional constant),(theta) 为角位移。
运动方程
角位移随时间变化满足:
$$ theta(t) = theta_0 cos(omega t + phi) $$
(theta_0) 为振幅,(omega = sqrt{kappa / I}) 为角频率((I) 为转动惯量),(phi) 为初相位。
中文术语 | 英文术语 | 物理意义 |
---|---|---|
角位移 | Angular displacement ((theta)) | 物体偏离平衡位置的角度 |
角频率 | Angular frequency ((omega)) | 振动快慢的量度,单位 rad/s |
转动惯量 | Moment of inertia ((I)) | 物体抵抗转动的惯性量度 |
扭转常数 | Torsional constant ((kappa)) | 回复力矩与角位移的比例系数 |
扭摆(Torsional Pendulum)
例如悬挂金属丝末端的圆盘,受扭转后释放,其振动即角谐运动。转动惯量 (I) 和扭转常数 (kappa) 共同决定周期 (T = 2pi sqrt{I / kappa})。
来源:MIT OpenCourseWare《经典力学》课程材料(链接)。
分子转动振动
双原子分子绕质心轴的微小转动可近似为角谐振动,其能级量子化公式为 (E = frac{hbar}{2I} J(J+1))((J) 为量子数)。
来源:《牛津物理学词典》(Oxford Dictionary of Physics)。
参数 | 角谐运动 | 线性简谐振动 |
---|---|---|
位移变量 | 角位移 (theta) | 线位移 (x) |
回复力/力矩 | 力矩 (tau = -kappa theta) | 力 (F = -kx) |
惯性量度 | 转动惯量 (I) | 质量 (m) |
周期公式 | (T = 2pi sqrt{I / kappa}) | (T = 2pi sqrt{m / k}) |
系统动能(转动)与势能(扭转形变)相互转化:
$$ E_{text{总}} = frac{1}{2} I omega + frac{1}{2} kappa theta = frac{1}{2} kappa theta_0 $$
平衡位置时动能最大,最大角位移处势能最大。
参考资料:
角谐运动(Angular Harmonic Motion)是指物体围绕某一固定轴旋转时,其角位移随时间按正弦或余弦规律变化的周期性运动。这种运动的特点是恢复力矩与角位移成正比,且方向相反,满足角谐振动的动力学方程。
动力学方程
角谐运动的方程形式与简谐振动类似,但变量为角位移θ。其微分方程为:
$$
frac{dtheta}{dt} + omegatheta = 0
$$
其中,ω为角频率,由系统本身的转动惯量和恢复力矩系数决定。
适用条件
通常出现在小角度摆动的情况下(如单摆θ<5°),此时$sintheta approx theta$,回复力矩可近似为线性关系。
典型实例
常见于机械工程中的旋转部件振动分析、物理实验中的扭摆测量转动惯量等场景。
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