В физике угловое ускорение (обозначение α , альфа ) — это скорость изменения угловой скорости во времени . После двух типов угловой скорости, угловой скорости вращения и орбитальной угловой скорости , соответствующими типами углового ускорения являются: угловое ускорение вращения , включающее твердое тело вокруг оси вращения, пересекающей центр тяжести тела ; и орбитальное угловое ускорение с участием точечной частицы и внешней оси.
Угловое ускорение имеет физические размеры угла в квадрате времени, измеряемые в единицах СИ радиан на секунду в квадрате ( рад ⋅ с -2 ). В двух измерениях угловое ускорение представляет собой псевдоскаляр, знак которого считается положительным, если угловая скорость увеличивается против часовой стрелки или уменьшается по часовой стрелке, и отрицательным, если угловая скорость увеличивается по часовой стрелке или уменьшается против часовой стрелки. В трех измерениях угловое ускорение представляет собой псевдовектор . [1]
Для твердых тел угловое ускорение должно быть вызвано чистым внешним крутящим моментом . Однако для нежестких тел это не так: например, фигурист может ускорить вращение (тем самым получив угловое ускорение), просто сжимая руки и ноги внутрь, что не требует внешнего крутящего момента.
В двух измерениях орбитальное угловое ускорение — это скорость, с которой изменяется двумерная орбитальная угловая скорость частицы относительно начала координат. Мгновенная угловая скорость ω в любой момент времени определяется выражением
где - расстояние от начала координат и - поперечно-радиальная составляющая мгновенной скорости (т.е. составляющая, перпендикулярная вектору положения), которая по соглашению является положительной для движения против часовой стрелки и отрицательной для движения по часовой стрелке.
Следовательно, мгновенное угловое ускорение α частицы определяется выражением [2]
Если разложить правую часть с помощью правила произведения дифференциального исчисления, это станет
В частном случае, когда частица совершает круговое движение вокруг начала координат, оно становится просто тангенциальным ускорением и исчезает (поскольку расстояние от начала координат остается постоянным), поэтому приведенное выше уравнение упрощается до
В двух измерениях угловое ускорение представляет собой число со знаком плюс или минус, указывающее ориентацию, но не указывающее направление. Знак условно принимают положительным, если угловая скорость увеличивается в направлении против часовой стрелки или уменьшается в направлении по часовой стрелке, а знак принимают отрицательным, если угловая скорость увеличивается в направлении по часовой стрелке или уменьшается в направлении против часовой стрелки. Угловое ускорение тогда можно назвать псевдоскаляром , числовой величиной, которая меняет знак при инверсии четности , например, при инвертировании одной оси или переключении двух осей.
В трех измерениях орбитальное угловое ускорение — это скорость, с которой трехмерный вектор орбитальной угловой скорости изменяется со временем. Мгновенный вектор угловой скорости в любой момент времени определяется выражением
где – вектор положения частицы, ее расстояние от начала координат и вектор ее скорости. [2]
Следовательно, орбитальное угловое ускорение представляет собой вектор, определяемый формулой
Разлагая эту производную с помощью правила произведения для перекрестных произведений и обычного правила частного, получаем:
Поскольку справедливо , второй член можно переписать как . В случае, когда расстояние частицы от начала координат не меняется со временем (что включает в себя круговое движение как подслучай), второй член исчезает, и приведенная выше формула упрощается до
Из приведенного выше уравнения можно восстановить поперечно-радиальное ускорение в этом особом случае как:
В отличие от двухмерного измерения, угловое ускорение в трех измерениях не обязательно должно быть связано с изменением угловой скорости : если вектор положения частицы «закручивается» в пространстве, изменяя ее мгновенную плоскость углового смещения, то изменение направления углового смещения скорость по-прежнему будет создавать ненулевое угловое ускорение. Этого не может произойти, если вектор положения ограничен фиксированной плоскостью, и в этом случае он имеет фиксированное направление, перпендикулярное этой плоскости.
Вектор углового ускорения правильнее называть псевдовектором : он состоит из трех компонентов, которые при вращении преобразуются так же, как декартовы координаты точки, но не трансформируются, как декартовы координаты при отражениях.
Чистый крутящий момент точечной частицы определяется как псевдовектор
где - результирующая сила, действующая на частицу. [3]
Крутящий момент является вращательным аналогом силы: он вызывает изменение вращательного состояния системы, точно так же, как сила вызывает изменение поступательного состояния системы. Поскольку сила, действующая на частицу, связана с ускорением уравнением , можно написать аналогичное уравнение, связывающее крутящий момент на частице с угловым ускорением, хотя это соотношение обязательно сложнее. [4]
Во-первых, подставив в приведенное выше уравнение крутящий момент, получим
Из предыдущего раздела:
где – орбитальное угловое ускорение, – орбитальная угловая скорость. Поэтому:
В частном случае постоянного расстояния частицы от начала координат ( ) второй член в приведенном выше уравнении обращается в нуль, и приведенное выше уравнение упрощается до
который можно интерпретировать как «вращательный аналог» , где величина (известная как момент инерции частицы) играет роль массы . Однако, в отличие от , это уравнение не применимо к произвольной траектории, а только к траектории, заключенной внутри сферической оболочки относительно начала координат.