Скорости и ускорения точек тела при вращении вокруг неподвижной оси

Известно уравнение вращения твердого тела вокруг неподвижной оси (рис. 29). Расстояние точки в подвижной плоскости по дуге окружности (траектории точки), отсчитываемое от точки , расположенной в неподвижной плоскости, выражается через угол зависимостью , где – радиус окружности, по которой перемещается точка. Он является кратчайшим расстоянием от точки до оси вращения. Его иногда называют радиусом вращения точки. У каждой точки тела радиус вращения остается неизменным при вращении тела вокруг неподвижной оси.

Алгебраическую скорость точки определяем по формуле

Модуль скорости точки

. (70)

Скорости точек тела при вращении вокруг неподвижной оси пропорциональны их кратчайшим расстояниям до этой оси. Коэффициентом пропорциональности является угловая скорость. Скорости точек направлены по касательным к траекториям и, следовательно, перпендикулярны радиусам вращения.

Скорости точек тела, расположенных на отрезке прямой , в соответствии с (70) распределены по линейному закону. Они взаимно параллельны, и их концы располагаются на одной прямой, проходящей через ось вращения Ускорение точки разлагаем на касательную и нормальную составляющие, т. е.

.

Касательное и нормальное ускорения вычисляются по формулам:

, ,

так как для окружности радиус кривизны (рис. 30). Таким образом,

, ,

. (71)

Касательные, нормальные и полные ускорения точек, как и скорости, распределены тоже по линейному закону. Они линейно зависят от расстояний точек до оси вращения. Нормальное ускорение направлено по радиусу окружности к оси вращения. Направление касательного ускорения зависит от знака алгебраического углового ускорения. При и или и имеем ускоренное вращение тела и направления векторов и совпадают. Если и имеют разные знаки (замедленное вращение), то и направлены противоположно друг другу.

Обозначив угол между полным ускорением точки и ее радиусом вращения, имеем

, (72)

так как нормальное ускорение всегда положительно. Угол для всех точек тела один и тот же. Откладывать его следует от ускорения к радиусу вращения в направлении дуговой стрелки углового ускорения независимо от направления вращения твердого тела.