最近有学生问了角频率和角速率的问题,老师用类比圆的方法解释了两个特殊位置之间的关系,但为了更全面地解释和区分两者角加速度公式,需要从数学的角度给出证明分析。浅薄的学习,请指正。
摘要: 本文旨在通过椭圆运动的简单谐波运动分解方法指出,圆频率(角频率)omega和角速度omega是不同的物理概念,但在运算中存在数学关系,当椭圆运动退化为圆周运动时,两个值相同。
(注:为了不混淆,本文将角速度写为w,角频率写为omega,请注意。
条件:粒子沿椭圆轨道运动,半长轴A和半短轴为B,速度为常v,如图所示。
数学分析:其标准方程为frac{x^{2}}{A^{2}}
+frac{y^{2}}{B^{2}}=1
参数方程为
也就是说,椭圆上每个点的位置向量被分解为两个方向,x 和 y物理
水平分析:仅靠数学分析无法显示坐标位置与t之间的关系,为了描述这种关系,我们需要分析这种数学分解的物理原理。
利用我们现有的圆周运动正交分解知识,不难猜测:
形式可以通过变换 theta=omega t 得到
(1,1)
也就是说,位置是 t 的函数。
此时,椭圆运动分解为x和y两个方向的简单谐波振动,角频率相同,但振幅不同。
运动学分析:接下来,推导出轨道上粒子的移动物理量
方程 (1,1) 由速度定义角加速度公式,导出 t 以获得 v 和 t 之间的函数关系
它被获得
通过条件,任何一点的速率都是恒定的,可以通过速度的合成获得
那是
(1,2)
如果在任何地方建立自然坐标系,法向速度为0,切向速度为v,不难得到每个点的角速度
其中 rho 是那里的曲率半径,代入 (1,2),得到
(1,3)
不难找到,
当A = B(即匀速椭圆运动退化为匀速圆周运动)时,可以消除包含t的项,得到
rho=B, 即 w= omega
当 A ne B,
,
显然不相等,同一物理系统中具有不同值的两个物理量,虽然维度相同,但不是相同的物理量。
由于两个端点的曲率半径是 frac{B^{2}}{A} 和 frac{
A^{2}}{B},此时的角速度可以通过研究omega t=0和omega t=frac{pi}{2}已知omega
和
,自然可以计算出向心加速度。
我们还可以使用几何知识来确定每个点的矢量直径的大小
substitution (1,2) and define varepsilon=frac{v}{R} on the algebra
这是“相对于原点的角速度”
,简化得到varepsilon=omega,即“相对于原点的角速度”
varepsilon等于角频率omega,我们将来可以使用这个有趣的结论:“在均匀椭圆运动中相对于原点的角速度是恒定的,等于圆频率”至此得出的结论是“圆周频率
(角频率)omega和角速度w是不同的物理概念,但在运算中存在数学关系,当椭圆运动退化为圆周运动时,两个值相同”
PS:投影方法也是可验证的,留给读者思考。
PPS:本文编辑公式太多,公式编辑器繁琐,懒癌使用word源文档截图,单词公式随编辑器自带,下次一定要改正