Φυσική Β΄ Λυκείου (Γενικής Παιδείας) - Βιβλίο Μαθητή
1.1 Οριζόντια βολή 1.3 Κεντρομόλος δύναμη Επιστροφή στην αρχική σελίδα του μαθήματος

1.2.

Ομαλή κυκλική κίνηση

 

Ένα κινητό κάνει κυκλική κίνηση όταν η τροχιά που διαγράφει είναι περιφέρεια κύκλου (Εικ. 3). Η πιο απλή από τις κυκλικές κινήσεις είναι η ομαλή κυκλική (Εικ. 4).

 

Η Γη περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της με σταθερή περίοδο. Αν τοποθετήσουμε στο Βόρειο Πόλο μία φωτογραφική μηχανή, αυτή στη διάρκεια της νύχτας θα φωτογραφίσει τις τροχιές των άστρων. Όπως φαίνεται στη φωτογραφία, τα άστρα φαίνεται να κάνουν κυκλική κίνηση. Εικόνα 1-3.

Η Γη περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της με σταθερή περίοδο. Αν τοποθετήσουμε στο Βόρειο Πόλο μία φωτογραφική μηχανή, αυτή στη διάρκεια της νύχτας θα φωτογραφίσει τις τροχιές των άστρων. Όπως φαίνεται στη φωτογραφία, τα άστρα φαίνεται να κάνουν κυκλική κίνηση.

Εικόνα 1-3.

Ομαλή χαρακτηρίζεται η κυκλική κίνηση ενός κινητού, όταν η τιμή της ταχύτητάς του παραμένει σταθερή.

Ο χρόνος που χρειάζεται το κινητό για να κάνει μία περιφορά, λέγεται περίοδος της κυκλικής κίνησης και συμβολίζεται με Τ.

Ο αριθμός των περιφορών που εκτελεί το κινητό στη μονάδα του χρόνου λέγεται συχνότητα της κυκλικής κίνησης και συμβολίζεται με f.

Από τον ορισμό της συχνότητας προκύπτει ότι η περίοδος και η συχνότητα συνδέονται με τη σχέση:

f = 1T     4

Μονάδα της συχνότητας είναι ο κύκλος ανά δευτερόλεπτο (c/s) που λέγεται 1Hz (Χερτζ) προς τιμή του φυσικού Hertz που θεωρείται ένας από τους πρωτοπόρους στη μελέτη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

 

Το αυτοκίνητο κινείται στην κυκλική πλατεία με σταθερή ταχύτητα. Εικόνα 1-4.

Το αυτοκίνητο κινείται στην κυκλική πλατεία με σταθερή ταχύτητα.

Εικόνα 1-4.

Πολλαπλάσια της μονάδας αυτής είναι:

1kHz = 103Hz, 1MHz = 106Ηz, 1GHz = 109Ηz.

Η ομαλή κυκλική κίνηση είναι γνωστή σε όλους μας. Τέτοια κίνηση κάνει το άκρο του λεπτοδείκτη του ρολογιού, ένα σημείο του περιστρεφόμενου δίσκου στο πικάπ κ.τ.λ.

Η ομαλή κυκλική κίνηση εντάσσεται σε μία μεγάλη κατηγορία κινήσεων που λέγονται περιοδικές. Μία τέτοια κίνηση έχει το χαρακτηριστικό ότι επαναλαμβάνεται η ίδια στον ίδιο πάντα χρόνο που λέγεται περίοδος (Τ).

 

Γραμμική ταχύτητα

Σύμφωνα με τον ορισμό της ομαλής κυκλικής κίνησης η τιμή της ταχύτητας του κινητού παραμένει σταθερή, ενώ η κατεύθυνσή της μεταβάλλεται συνεχώς, επειδή κάθε στιγμή είναι εφαπτόμενη στην τροχιά (Εικ. 5). Άρα τα διανυόμενα τόξα είναι ανάλογα των χρόνων στους οποίους διανύονται. Μπορούμε συνεπώς να γράψουμε:

s = υ·t

Επομένως το μέτρο της ταχύτητάς του, που ονομάζεται γραμμική ταχύτητα θα είναι:

υ = st

Αν στον τελευταίο τύπο θέσουμε t = Τ, τότε το τόξο που θα διανύσει το κινητό θα έχει μήκος s = 2·π·R (το μήκος της περιφέρειας της κυκλικής τροχιάς), οπότε:

υ = 2·π·RT     5

Ας υποθέσουμε ότι τη χρονική στιγμή t = 0 το κινητό βρίσκεται στη θέση Α και μέτα από χρόνο t, κινούμενο κατά τη φορά που φαίνεται στην εικόνα 6, με γραμμική ταχύτητα υ, βρίσκεται στη θέση Β, έχοντας διανύσει το τόξο Δs. Η θέση του κινητού πάνω στην τροχιά του μπορεί να προσδιορισθεί, κάθε στιγμή, με δύο τρόπους (Εικ. 6):

1)

Με τη μέτρηση του μήκους του τόξου ΑΒ (Δs = υ·Δt).

2)

Με τη μέτρηση της γωνίας AÔB (AÔB = Δθ) την οποία διαγράφει μία ακτίνα, που θεωρούμε ότι συνδέει κάθε στιγμή το κινητό με το κέντρο της τροχιάς του (επιβατική ακτίνα). Έτσι όταν το κινητό θα έχει “διανύσει” τόξο μήκους Δs η επιβατική ακτίνα θα έχει “διαγράψει” επίκεντρη γωνία Δθ.

 

Εικόνα 1-5.

Εικόνα 1-5.

 

Εικόνα 1-6.

Εικόνα 1-6.

Γωνιακή ταχύτητα

Ας θεωρήσουμε το σχήμα της εικόνας (Εικ. 7) όπου φαίνεται ένας δίσκος που περιστρέφεται και τα σημεία του κάνουν ομαλή κυκλική κίνηση. Έστω τρία σημεία A, Β και Γ του δίσκου που βρίσκονται πάνω στην ίδια ακτίνα. Σε ένα μικρό χρονικό διάστημα, τα τρία σημεία βρίσκονται στις θέσεις A′, Β′ και Γ′ αντίστοιχα και έχουν διαγράψει την ίδια γωνία θ. Ωστόσο τα μήκη των αντίστοιχων τόξων ΑΑ′, ΒΒ′, ΓΓ′ είναι διαφορετικά μεταξύ τους, γεγονός που σημαίνει ότι οι γραμμικές ταχύτητες των σημείων Α, Β, Γ, διαφέρουν (Εικ. 7).

Στην ομαλή κυκλική κίνηση λοιπόν, εκτός από την ταχύτητα (γραμμική) που δίνει το ρυθμό με τον οποίο διανύει το κινητό διαστήματα, χρειαζόμαστε και ένα άλλο μέγεθος που να δείχνει με τι ρυθμό η επιβατική ακτίνα διαγράφει γωνίες. Γι' αυτό ορίζουμε ένα νέο φυσικό μέγεθος που λέγεται γωνιακή ταχύτητα και συμβολίζεται με ω.

Γωνιακή ταχύτητα στην ομαλή κυκλική κίνηση ενός κινητού, ονομάζουμε ένα διανυσματικό μέγεθος του οποίου:

Η τιμή είναι ίση με το σταθερό πηλίκο της γωνίας θ που διαγράφηκε από την επιβατική ακτίνα σε χρονικό διάστημα t διά του αντίστοιχου χρονικού διαστήματος. Δηλαδή (Εικ. 8):

ω = θt     6

Η διεύθυνση είναι κάθετη στο επίπεδο της τροχιάς.

Η φορά καθορίζεται με τον κανόνα του δεξιού χεριού όπως στην εικόνα. Το διάνυσμα ω έχει τη φορά, του αντίχειρα του δεξιού χεριού όταν η φορά περιστροφής του κινητού συμπίπτει με τη φορά των υπόλοιπων δακτύλων.

 

Στην ομαλή κυκλική κίνηση σε χρόνο μίας περιόδου Τ η επιβατική ακτίνα θα έχει διαγράψει γωνία 2·π rad.

Αρα η σχέση (6) γράφεται:

ω = 2·πΤ     7

Επειδή 1T = f η σχέση (7) γράφεται: ω = 2·π·f.

 

Μονάδα γωνιακής ταχύτητας

Ως μονάδα γωνιακής ταχύτητας, σύμφωνα με τη σχέση (6), χρησιμοποιούμε το ακτίνιο ανά δευτερόλεπτο (1rad/s).

 

Σχέση μεταξύ της γραμμικής και της γωνιακής ταχύτητας

Για να βρούμε τη σχέση που συνδέει τη γραμμική με τη γωνιακή ταχύτητα αντικαθιστούμε στη σχέση (5) το πηλίκο 2·π/Τ με το ω, οπότε προκύπτει:

υ = ω·R     8

 

Εικόνα 1-7.

Εικόνα 1-7.

 

Εικόνα 1-8.

Εικόνα 1-8.

Η σχέση αυτή συνδέει τη γραμμική ταχύτητα με τη γωνιακή και με την ακτίνα της τροχιάς. Φαίνεται απ' αυτήν πως όλα τα σημεία ενός περιστρεφόμενου δίσκου (Εικ. 7), ενώ έχουν την ίδια γωνιακή ταχύτητα (ω), έχουν γραμμικές ταχύτητες (υ) η τιμή των οποίων είναι ανάλογη με την απόστασή τους από τον άξονα (κέντρο) περιστροφής.

 

Κεντρομόλος επιτάχυνση

Στην ομαλή κυκλική κίνηση η τιμή της ταχύτητας είναι σταθερή, όμως η διεύθυνση και η φορά αλλάζουν συνεχώς. Άρα το διάνυσμα της ταχύτητας αλλάζει με αποτέλεσμα να εμφανίζεται επιτάχυνση που έχει κατεύθυνση προς το κέντρο της κυκλικής τροχιάς (Εικ. 9) και λέγεται κεντρομόλος επιτάχυνση ακ.

Αποδεικνύεται ότι το μέτρο της κεντρομόλου επιτάχυνσης δίνεται από τη σχέση:

ακ = υ2R     9

 

Δραστηριότητα

Ξεκινώντας από τη σχέση (9) και χρησιμοποιώντας τις σχέσεις (4), (7) και (8), να εκφράσετε την κεντρομόλο επιτάχυνση και με άλλες σχέσεις.

 

Παράδειγμα

Το άκρο (Α) του πτερυγίου ενός ανεμιστήρα στρέφεται με γραμμική ταχύτητα, 15m/s και η ακτίνα του έχει μήκος 60cm.

Να υπολογιστούν: η περίοδος, η συχνότητα και η γωνιακή ταχύτητα.

Να υπολογισθεί επίσης ποιο μήκος τόξου s θα έχει διανυθεί σε χρόνο ενός εκατοστού του δευτερολέπτου.

 

Απάντηση

Από τη σχέση υ = 2·π·RΤ επιλύοντας ως προς την περίοδο Τ βρίσκουμε:

T = 2·πυ·R     ή     T = 0,25s

 

Εικόνα 1-9.

Εικόνα 1-9.

 

Εικόνα

 

Η σχέση μεταξύ συχνότητας και περιόδου είναι: f = 1T.

Αντικαθιστώντας την περίοδο Τ με την τιμή της, βρίσκουμε την τιμή της συχνότητας.

f = 10,25s     ή     f = 4Hz

Η γωνιακή ταχύτητα υπολογίζεται από τη σχέση: ω = 2·π·f από την οποία με αντικατάσταση έχουμε:

ω = 6,28·4rad/s     ή     ω = 25,12rad/s.

Το μήκος του τόξου που θα διανυθεί σε χρόνο t = 0,01s θα υπολογιστεί από τη σχέση: s = υ·t.

Με αντικατάσταση έχουμε:

s = 15·0,01m     ή     s = 0,15m.