角速度

描述转动刚体的角位移随时间变化的物理量。

刚体绕定轴转动时,为了确定刚体的位置,取转动轴为Oz轴(图1)。通过Oz轴作两个平面:其中一个是固定平面Q;另一个是固连于刚体的转动平面Q┡。于是刚体的位置可用固定平面Q┡和转动平面Q所夹的角嫓来决定。嫓称为刚体的转角,用弧度计量。嫓是一个代数量,它的正负由右手螺旋定则(见力矩)决定。转角嫓是时间t的函数,因此

嫓=嫓(t)

即为描述刚体作定轴转动的运动方程

图1

角位移是转角嫓随时间的改变量。设刚体在tt┡的转角分别为嫓和嫓┡,令Δ嫓呏嫓'嫓,则Δ嫓表示刚体在时间间隔Δt=t't内转角嫓的改变量,亦即角位移。在时间Δt内刚体的角位移Δ嫓对于Δt之比

称为刚体在时间Δt内的平均角速度,它描述刚体角位移在Δt时间内的平均变化情况。于是,极限

描述了刚体的角位移在瞬时t的真实变化情况,ω称为刚体作定轴转动时的角速度。ω也是一个代数量,其正负同样用右手螺旋定则决定。ω 的正负决定刚体转动的方向。

角速度的量纲为T-1,在SI单位制中它的单位为rad/s。角速度可用一个轴矢量来代表,称为角速度矢量ω 。这个矢量的大小为而其作用线沿转动轴并按右手螺旋定则确定ω 的方向(图2)。矢量ω 的起点可以是转动轴上的任意一点,即角速度矢量ω 是一个滑动矢量。

图2

刚体作定轴转动时,刚体上的任何一点P在垂直于转动轴Oz的平面内作圆周运动。点P的线速度v的大小为

式中s是从点P所在的圆周和平面Q的交点O┡至点P的弧长;R是圆周的半径(图1)。点P的速度v的方向沿圆周的切线方向,并指向点P运动的一方。按矢量积的定义,v可表示为

vω ×r

式中rO点到P点的矢径(图2)。这个公式称为欧拉公式。

图2 图3

当刚体绕某一固定点O运动时,在每一瞬时都具有一条通过定点O的瞬时转动轴Ol(图3),在此轴上各点速度为零。而在该瞬时刚体的运动可以看成是绕瞬时转动轴的转动。因此,刚体内任何一点P的速度v,仍可由欧拉公式vω ×r决定。这里ω 是刚体绕瞬时转动轴的角速度,称为瞬时角速度,它沿着瞬时转动轴并仍按右手螺旋定则决定其方向,但和刚体的定轴转动不同,瞬时角速度ω 的大小和方向都是随时间变化的。