在研究物体的全部运动的过程时,往往不能准确的表达,这就需要用另一个力学量来表达,即角动量,在求解角动量的过程中,将质心系与质点系紧密联系,同时运用角动量定理和守恒定律,将复杂问题简单化,方便计算。角动量是在动量之后比较重要的物理概念,其将角速度,角加速度有效的联系在一起,在宏观的物理现象中尤为普遍,特别是在求解物体的转动问题时,尤为方便。
一、主要公式:L=r×mv=r×p,上式表明,质点对参考点的角动量等于位置矢量与动量的失积,大小则为r和mv的为临边的平行四边形的面积,其方向构成右手螺旋定则。M=r×F=Jdw/dt=dL/dt,L=Jw,J为转动惯量,表示受力点相对于O点的位置矢量r与力F矢量的失积M叫做F对参考点o的力矩,同样也构成右手螺旋定则。其中若M=0 则L=Lo,则若作用于质点的合力对参考点的o的力矩为零,则质点对该点的角动量不变,即角动量守恒定律。对于绕定轴转动刚体的合外力矩M=d/dt(Jw)=rFsin,其等于受力质点到轴的垂直距离与力在与z轴垂直的平面上的分力以及角度正旋的乘积。
二、角动量守恒的判断
角动量守恒的判定主要是判定M的大小,当M为零时即合力矩为零,即角动量守恒,即质点或质点系对该参考点的角动量守恒。有下列几种情况可判断角动量守恒:1质点或质点系不受外力或者所受的合力矩为零,即外力通过参考点,不产生力矩。2每个外力的力矩不为零,但外力矩的矢量和为零。甚至某一方向上的外力矩为零,则在这一方向上满足角动量守恒,即对轴方向的角动量守恒。
三、角动量的应用
一般物体饶固定轴转动时其转动惯量是不可变的,为唯一定值,从而在满足角动量守恒的条件下,物体的角速度随着转动轴的不同,即转动惯量的改变而变,但两者之乘积却保持不变,这就是角动量定理。如茹可夫斯基凳的演示,转轴处光滑,人站在圆盘上,手握两个哑铃,两臂伸开时,让他旋转起来,然后两臂收回,由于哑铃离轴变近,虽不受外力作用,转速也会增加,再将两臂伸开,哑铃离轴变远,角速度再度减小,同样花样溜冰运动员和芭蕾舞演员做旋转运动,也通过控制手臂和腿的伸展来加速减速,在实际的运动过程中效果也十分明显。
四、解释自然现象
在角动量的学习过程中,已经了解了溜冰员、芭蕾舞演员、空中飞人和高台跳水员等的旋转运动,解释了角动量守恒定律,不仅如此,在日常生活中角动量的应用也有很多:
(1)地面风的偏向风
在两极和赤道之间会有风的产生,进而带动中纬度地区产生气流,三股气流由于角速度偏转的效应,赤道地区吹东北风,温带常吹西南风。也即是说的地转偏向力的作用,河岸的冲刷,轨道的偏压等都是这种现象。
(2)当人在走路时,手会前后不停的摆动,当手从前面摆向身后时,会产生一个力矩,带动身体向前运动,两个手交替摆动,带动身体,同样当你顺拐时,你会发现你走路并不通顺,而且脚下也容易疼痛。在生活中会经常看到散布,跑步来回摆手的,摆动的越来你运动起来也越方便。
(3)地球的自转公转也与角动量有关,地球自转形成昼夜的交替变化,公转带来四季的变化,这都与自转有关,开普勒第二定律就是对角动量守恒的很好解释。
五、总结
角动量及其规律是经典力学中一个重要的基础定律,其是在牛顿定律基础上衍生出来的,将牛顿第二定律解决不了的问题变通化,方便计算,特别是在处理一些旋转运动问题时有些很大的作用,能够细致的描绘运动状态。在宏观物理理论中,牛顿运动定律可以解题,而在微观理念下,不角动量的观点适用范围更加广泛,更加有效。通过对角动量的学习,对角动量及其规律有了一些基础的认识,在以后物理的发展过程中有效运用,对于角动量的探究还在继续,需要我们认真学习,去探索,加深角动量的认识,推动物理学科的进步。