Sabit bir eksen etrafında dönme

Sabit bir eksen etrafında dönme dönme hareketinin özel bir durumudur. Sabit eksen hipotez yönünü değiştirerek bir eksen olasılığını dışlar ve salınım devinim gibi olguları tarif edemez. Euler’in dönme teoremine göre, Aynı zamanda, sabit eksenler boyunca eş zamanlı rotasyon imkânsızdır. Eğer iki rotasyona aynı anda kuvvet uygulanırsa, rotasyonun yeni ekseni oluşur.

Bu makale dönmenin sabit olduğunu varsayar; yani cismi tutmak için hiçbir tork gerekli değildir. Katı bir cismin sabit bir eksen etrafında dönmenin kinematiği ve dinamiği matematiksel olarak ifade edilişi katı cismin serbest bir şekilde dönmesinden daha basittir; bir tek sabit yön boyunca doğrusal harekete bütünüyle benzer, ama serbest dönme yapan katı cisimler için bu durum geçerli değildir. Bu açıklama ayrıca nesnenin kinetik enerjisi için, nesnenin parçaları üzerinde oluşan kuvvetler için sabit bir eksen etrafında dönmesi genel dönme hareketine bakılarak daha basittir. Bu nedenle, öğrenciler doğrusal harekete hakim olduktan sonra sabit bir eksende dönme hareketi genellikle fizik derslerine giriş olarak düşünülür; ancak daha genel olan dönme hareketi fizik derslerine giriş olarak sayılacak kadar basit değildir.

Bu harekette katı cisim icerisindeki her nokta birbirine paralel doğrular çizer. Katı cismin tanımı gereği tüm parçacıkların hızları ve ivmeleri her an birbirine eşittir.

Katı cisim içerisindeki her nokta hareket boyunca birbirine paralel eğriler cizer. Bu hareket düzlemde sabit bir nokta (veya bu sabit noktadan geçen ve hareket düzlemine dik olan sabit bir eksen) etrafındaki dönme hareketiyle karıştırılmamalıdır. Çünkü dönme hareketinde katı cismin üstündeki her nokta eş merkezli çemberler çizer. Eğrisel ötelemede ise her nokta ayrı bir eğri çizer ve bu eğriler birbirine paraleldir.

Katı cisim sonlu ölçüde bileşen taneciklerinin arasındaki mesafelerin sabit olduğu bir cisimdir. Katı cisimin varlığı tamamen doğru değildir; dış kuvvetler herhangi bir katı cismi rahatlıkla bozabilir. Ama burada bizim anlatmak istediğimize göre, katı cisimleri deforme etmek için kayda değer büyük kuvvetlerin uygulanması gerektiği yönündedir.

Üç boyutlu uzayda bir noktanın konum değişikliği için tamamen üç koordinatlı bir sistem ile belirlenebilir. Katı cismin konumundaki değişim anlatılandan her zaman daha karmaşıktır. Bu hareket iki farklı tip hareketin kombinasyonu olarak kabul edilir: öteleme hareketi ve dönme hareketi.

Cismin her parçacığı diğer parçacıklarıyla aynı anlık hıza sahip olduğunda, öteleme hareketi meydana gelir; daha sonra cisimdeki herhangi bir parçacık tarafından takip edilen yol diğer parçacıklar tarafından takip edilen yola tamamıyle paraleldir. Öteleme hareketinin altında, katı cismin konumundaki değişiklik tamamen bu üç koordinatla; x, y ve z belirlenir. Örneğin, katı cisimde sabit kütle merkezi gibi, bu koordinat sistemi herhangi bir noktanın yerdeğiştirme vektörünü verir.

Eğer cisimdeki her parçacık tek bir düzlemde dairesel şekilde hareket ederse, dönme hareketi meydana gelir. Bu düzlem de dönme ekseni olarak adlandırılır. Ve bütün parçacıkların ekseninde yarıçap vektörü aynı zamanda aynı açısal yerdeğiştirmeye sahiptir. Dönme ekseninin cisme doğru olması gerekmez. Genelde, x, y ve z koordinatlarına bağlı olarak herhangi bir rotasyon üç tane açısal yerdeğiştirmeyle belirlenebilir. Katı cismin konumundaki herhangi bir değişim üç öteleme ve üç dönme koordinatıyla tanımlanabilir.

M sistemin toplam kütlesi ve acm kütle merkezinin ivmesi. Kütle merkezi etrafında nesnenin dönmesini açıklayan ve nesne üzerinde hareket eden dış güçlerin bunu ilişkilendirme olayı vardır. Bir tek eksen üzerinde dönme hareketinin kinematik ve dinamikleri öteleme hareketinin kinematik ve dinamiklerine benzer; bir tek eksen üzerindeki dönme hareketi parçacık dinamiğindeki iş enerji teoremine bile sahiptir.

Bir parçacık dairenin yarıçapında hareket eder . Bir yay uzunluğu kadar hareket eder , açısal konumu orijinal konumuna bağlı olarak, .

Açısal hız birim zamandaki açısal yerdeğiştirmedeki değişimdir.Açısal hızın sembolü; ve birimi tipik olarak rad s−1 şeklinde ifade edilir. Açısal sürat açısal hızın büyüklüğüdür.

r yarıçap ya da dönme eksenine olan uzaklığıdır. Bu aynı zamanda ivmenin teğetsel bileşeni olarak da adlandırılır: noktanın hareket yönüne teğettir. Eğer bu bileşen 0 olursa, hareket türü düzgün dairesel hareket olur ve hız sadece yön bakımından değişir.

Açısal ivme positif ya da negative değere sahip olabilen torktan dolayı kaynaklanır. Bu tork da positif ve negative açısal frekans ile uyum içerisindedir. Tork ve açısal ivmenin oranları bize eylemsizlik momentini verir; yani dönmenin nasıl başladığı durduğu ya da değiştiği hakkında bilgi verir.

Parçacığın kinematiğinde bağıl hız bağıntısını çıkarırken A ve B gibi birbirinden bağımsız hareket eden iki parçacık incelenirse eğer, bu parçacıklar arasındaki bağıl hız bağıntısı bulunabilir. A ve B aynı katı cisim üzerindeki iki nokta ise aralarındaki mesafe sabit olursa ve bu noktalardan biri üzerinde duran bir gözlemci diğer noktanın dairesel hareket yaptığını görebilir. Aynı katı cisim üzerindeki A ve B noktalarını göz önüne alırsak eğer, hareketli koordinat sisteminin orijini B noktasında olsun, bu durumda A’ nın hareketi iki şekilde oluşuyormuş gibi düşünülebilir. Cisim önce AB doğrusuna paralel olarak A′’B′ konumuna ötelenir.

Katı cisim ω acısal hızı ve α acısal ivmesi ile donuyor olsun. Bağıl hız teriminden farklı olarak burada bağıl ivme teriminin biri teğetsel diğeri normal olmak üzere iki bileşeni vardır. B’ ye yerleşik gözlemci yine A noktasını, B merkezli ve BA=r yarıcaplı bir dairesel hareket yapıyor gibi görür.

analizinde kullanılacaktır. Bazen bir mekanizmada bir noktanın hızını veya ivmesini bulmak için bu noktaya iki ayrı yönden yaklaşılır. Bu şekilde bu noktanın hız ve ivmesi iki kez yazılıp bunlar eşitlenerek arananlar bulunur.

Doğrusal momentumun dairesel hareketteki karşılığı açısal momentumdur. Dönen cismin açısal momentumu daha büyükse mesela o cisim için maksimum seviyede ise açısal momentum, dönmeye devam etme eğilimi daha büyüktür. Ancak dönen cismin açısal momentumu daha küçükse mesela o cisim için minimum seviyede ise açısal momentum, dönmeye devam etme eğilimi daha küçüktür.

Dönen cismin açısal momentum cismin kütlesi ve ne kadar hızlı döndüğüyle doğru orantılıdır. Buna ek olarak, açısal momentum kütlenin dönme eksenine nasıl dağıtıldığına da bağlıdır: eğer ortada dönme ekseninden daha uzakta yoğunlaşan bir kütle söz konusuysa, açısal momentum daha büyüktür; ancak eğer ortada dönme eksenine daha yakın bir noktada yoğunlaşan bir kütle söz konusuysa, açısal momentum daha küçüktür. Düz bir disk olarak bir kayıt pikabını ele alırsak pikabın aynı kütlede olan ve aynı dönme hızına sahip bir boş silindirden daha az açısal momentum sahip olduğunu görürüz.

Doğrusal momentum gibi, açısal momentumda vektörel bir büyüklüktür ve açısal momentumun korunumu dönme ekseninin yönünün değişmeden kalma eğiliminde olduğunu ima eder. Bu nedenle,For this reason, dönen cisim yukarıda asılı bir şekilde dönmeye devam eder ve sabit olan cisimde aniden yere düşer.

Açısal momentum eşitliği cisim üzerinde olan eksendeki bileşke kuvvetin (bazen tork da denir) momentiyle ve bu eksen çerçevesinde dönme oranıyla ilişkilendirmek için kullanılır.

Yukarıdaki gelişme genel dönme hareketinin özel bir durumudur. Genel durumda, açısal yerdeğiştirme, açısal hız, açısal ivme ve tork vektör olarak kabul edilir.

Açısal yerdeğiştirme vektör olarak kabul edilir; çünkü, eksen boyunca, açısal yerdeğiştirmenin büyüklüğü; . Sağ el kuralı eksen boyunca hangi yolu işaret ettiğini bulmak için kullanılır; eğer sağ elin parmakları nesnenin döndüğü noktaya doğru kıvrılıyorsa sağ elin başparmağı vektörün yönünü belirtir.

Açısal yerdeğiştirmede olduğu gibi açısal hızda da vektör dönme eksenini gösterir. Eğer disk saat yönünün tersine doğru dönüyorsa, diskin açısal hız vektörü yukarıyı gösterir. Benzer şekilde, açısal ivme vektörü eğer açısal ivme uzun bir süre boyunca korunursa dönme ekseni boyunca aynı yöndeki açısal hızı belirtir.

Tork vektörü torkun dönmeye neden olduğu ekseni belirtir. Sabit eksen boyunca dönmeyi sürdürmek için, toplam tork vektörü eksen boyunca uzanmalı ve sadece büyüklüğünü değiştirir ve açısal hız vektörünün yönünü değiştirmez. Esas noktaya göre, sadece tork vektörünün bileşeninin eksen boyunca dönme üzerinde etkisi vardır. Diğer kuvvetler ve torklar cismin yapısına göre şekillenir.

Sabit bir eksen etrafında dönmenin basit bir durumu sabit açısal sürattir. Ve toplam tork sıfıra eşittir. Eğer Dünya’nın kendi ekseni etrafında dönmesinden örnek verecek olursak, çok az bir sürtünme vardır. Mekanik bir fan için, fanın motoru sürtünmeyi karşılamak için bir tork uygular. Dönme açısı zamanın doğrusal fonksiyonudur The angle of rotation is a linear function of time ve açı 360° periyodik fonksiyonudur.

İç, çekme gerilmesi dönen nesneyi yörüngede tutmak için merkezcil çekim kuvvetini sağlar. Katı bir cisim modeli malzeme bilimine eşlik eden gerginliği ihmal eder. Eğer cisim katı bir cisim değilse, bu gerilme cismin şekil değiştirmesine neden olur; ancak eğer cisim katıysa, gerilmeyle birlikte bir şekil değişikliği meydana gelmez. Cisimlerin şekil değiştirmesi merkezkaç kuvvetiyle açıklanır.

Birbirlerinin etrafında dönen gök cisimleri genellikle eliptik yörüngeye sahip olurlar. Dairesel yörüngenin özel bir durumu sabit bir eksen etrafında dönmenin bir örneğidir: bu eksende kütle merkezine doğru olan bir çizgi ve hareket düzlemi birbirlerine diktir. Merkezcil çekim kuvveti yerçekimiyle sağlanır, ayrıca bakınız iki cisim problemleri. Bu da genellikle dönen bir gök cismi için geçerlidir, bu yüzden açısal hızı yoğunluğuna göre çok yüksek olmadığı halde, bir arada tutmak için aşırı katı olması gerekmez. (Bununla birlikte üstten ve alttan basık olma eğiliminde olacaktır.) Örneğin, boyutu ne olursa olsun suyun bir gök cismini döndürmesi için en az üç saat on sekiz dakika zaman geçmelidir, ya da su ayıracaktır. Eğer akışkanın yoğunluğu yüksekse, zaman azalır; ancak eğer akışkanın yoğunluğu düşükse zaman artar. Ayrıca bakınız yörünge periodu.