
【機】 angular harmonic motion
corner; angle; cape; contend; horn; wrestle; role
【醫】 angle; anguli; angulus; Broca's angle; cornu; cornua; gonio-; horn
【電】 harmonic motion
角諧運動(Angular Harmonic Motion)是物理學中描述物體繞固定軸做周期性角度振動的運動形式,其運動規律與線性簡諧振動(Simple Harmonic Motion)相似,但變量為角位移而非線位移。以下是詳細解釋:
基本定義
角諧運動指物體受回複力矩作用,且力矩大小與角位移成正比、方向相反時,圍繞平衡位置所做的周期性角振動。其動力學方程為:
$$ tau = -kappa theta $$
其中 (tau) 為力矩,(kappa) 為扭轉常數(torsional constant),(theta) 為角位移。
運動方程
角位移隨時間變化滿足:
$$ theta(t) = theta_0 cos(omega t + phi) $$
(theta_0) 為振幅,(omega = sqrt{kappa / I}) 為角頻率((I) 為轉動慣量),(phi) 為初相位。
中文術語 | 英文術語 | 物理意義 |
---|---|---|
角位移 | Angular displacement ((theta)) | 物體偏離平衡位置的角度 |
角頻率 | Angular frequency ((omega)) | 振動快慢的量度,單位 rad/s |
轉動慣量 | Moment of inertia ((I)) | 物體抵抗轉動的慣性量度 |
扭轉常數 | Torsional constant ((kappa)) | 回複力矩與角位移的比例系數 |
扭擺(Torsional Pendulum)
例如懸挂金屬絲末端的圓盤,受扭轉後釋放,其振動即角諧運動。轉動慣量 (I) 和扭轉常數 (kappa) 共同決定周期 (T = 2pi sqrt{I / kappa})。
來源:MIT OpenCourseWare《經典力學》課程材料(鍊接)。
分子轉動振動
雙原子分子繞質心軸的微小轉動可近似為角諧振動,其能級量子化公式為 (E = frac{hbar}{2I} J(J+1))((J) 為量子數)。
來源:《牛津物理學詞典》(Oxford Dictionary of Physics)。
參數 | 角諧運動 | 線性簡諧振動 |
---|---|---|
位移變量 | 角位移 (theta) | 線位移 (x) |
回複力/力矩 | 力矩 (tau = -kappa theta) | 力 (F = -kx) |
慣性量度 | 轉動慣量 (I) | 質量 (m) |
周期公式 | (T = 2pi sqrt{I / kappa}) | (T = 2pi sqrt{m / k}) |
系統動能(轉動)與勢能(扭轉形變)相互轉化:
$$ E_{text{總}} = frac{1}{2} I omega + frac{1}{2} kappa theta = frac{1}{2} kappa theta_0 $$
平衡位置時動能最大,最大角位移處勢能最大。
參考資料:
角諧運動(Angular Harmonic Motion)是指物體圍繞某一固定軸旋轉時,其角位移隨時間按正弦或餘弦規律變化的周期性運動。這種運動的特點是恢複力矩與角位移成正比,且方向相反,滿足角諧振動的動力學方程。
動力學方程
角諧運動的方程形式與簡諧振動類似,但變量為角位移θ。其微分方程為:
$$
frac{dtheta}{dt} + omegatheta = 0
$$
其中,ω為角頻率,由系統本身的轉動慣量和恢複力矩系數決定。
適用條件
通常出現在小角度擺動的情況下(如單擺θ<5°),此時$sintheta approx theta$,回複力矩可近似為線性關系。
典型實例
常見于機械工程中的旋轉部件振動分析、物理實驗中的扭擺測量轉動慣量等場景。
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