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角速度

一个以弧度为单位的圆(一个圆周为2π,即:360度=2π),在单位时间内所走的弧度即为角速度。公式为:ω=Ч/t(Ч为所走过弧度,t为时间)ω的单位为:弧度每秒 。

在国际单位制中,单位是“弧度/秒”(rad/s)。(1rad = 360°/(2π) ≈ 57°17'45″)

转动周数时(例如:每分钟转动周数),则以转速来描述转动速度快慢。角速度的方向垂直于转动平面,可通过右手螺旋定则来确定。

通常用希腊字母Ω(大写)或ω(小写)英文名称omega 国际音标注音/o'miga/。 [1]

物体运动角位移的时间变化率叫瞬时角速度(亦称即时角速度),单位是弧度/秒(rad/s),方向用右手螺旋定则决定。

匀速圆周运动中的角速度:对于匀速圆周运动,角速度ω是一个恒量,可用运动物体与圆心联线所转过的角位移Δθ和所对应的时间Δt之比表示ω=△θ/△t,还可以通过V(线速度)/R(半径)求出。

伪矢量性:角速度是在物理学中描述物体转动时在单位时间内转过角度以及转动方向的矢量(更准确地说,是伪矢量)。

角速度的矢量性:v=ω×r,其中,×表示矢量相乘(叉乘),方向由右手螺旋定则确定,r为矢径,方向由圆心向外。 [2]

一个质点在二维平面上的角速度是最容易懂的。 如右图所示,假使从(O)点向(P)质点画一条直线,则该粒子的速度向量()可分成在沿着径向上分量(径向分量)以及垂直于径向的分量(切线方向分量)。

由于粒子在径向上的运动并不会造成相对于原点(O)的转动,在求取该粒子的角速度时,可以忽略水平(径向)分量。因此,转动完全是由切线方向的运动所造成的(如同质点在绕着原点做匀速圆周运动),即角速度是完全由垂直(切线方向)的分量所决定的。 质点角度位置的改变率与其切线方向速度的关系式如下:

为 ω=dφ/dt, 而速度的垂直分量 等于 ;其中 θ 是向量 r 与 v 的夹角,则导出:在二维坐标系中,角速度是一个只有大小没有有方向的伪纯量,而非纯量。纯量与伪纯量不同的地方在于,当' 轴与' 轴对调时,纯量不会因此而改变正负符号,然而伪纯量却会因此而改变。角度及角速度则是伪纯量。以一般的定义,从 ' 轴转向 ' 轴的方向为转动的正方向。倘若坐标轴对调,而物体转动不变,则角度的正负符号将会改变,因此角速度的正负号也跟着改变。

☆注意:角速度的正负号及数值量取决于原点位置及坐标轴方向的选定。

在三维坐标系中,角速度变得比较复杂。在此状况下,角速度通常被当作向量来看待;甚至更精确一点要当作伪向量。它不只具有数值,而且同时具有方向的特性。数值指的是单位时间内的角度变化率,而方向则是用来描述转动轴的。概念上,可以利用右手定则来标示角速度伪向量的正方向。原则如下:

假设将右手(除了大拇指以外)的手指顺着转动的方向朝内弯曲,则大拇指所指的方向即是角速度向量的方向'

正如同在二维坐标系的例子中,一个质点的移动速度相对于原点可以分成一个沿着径向以及另一个垂直径向的分量。举例而言,原点与质点的速度垂直分量的组合可以定义一个转动平面,质点在此平面上的行为就如同在二维坐标系中的状况下,其转动轴则是一条通过原点且垂直此平面的线,这个轴订定了角速度伪向量的方向,而角速度的数值则是如同在二维坐标系状况下求得的伪纯量的值。当定义一个指向角速度伪向量方向单位向量时,可以用类似二维坐标系的方式来表示角速度。

一般而言,在高维空间的角速度是一个二阶斜对称的角位移张量对时间的微分。此张量具有 n(n-1)/2 个独立分量,其中"n(n-1)/2" 这个数字指的是在n-维内积空间中转动李群之李代数的维度。

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为了处理刚体运动的问题,最好采用固定在刚体上的坐标系统,然后再学习此坐标系统与实验室坐标系统之间的坐标转换。如右图所示,O 为实验室坐标系统的原点,而O'是刚体坐标系统的原点,O 与 O' 之间的向量R。质点 (')在刚体上P点的位置上,此质点在实验室坐标中的向量位置是Ri,而在刚体坐标中的向量位置为ri。我们可以看到此质点的位置可以写成:

刚体最重要的特征为任意两点之间距离不随时间变化。这意味着矢量 的长度是不变的。根据欧拉刚体的有限旋转定理,我们可以用来代替,其中 代表旋转矩阵,而是初始时刻的质点的位置。这个替代显得非常有义,随时间变化的只有,而不是相对矢量。对于刚体就O'旋转,质点的位置可以写为:

就质点的速度对时间微分,可以得到质点的速度:

其中Vi是质点在实验室坐标中的速度,而V 是O'点(刚体坐标的原点)的在实验室坐标中的速度,故质点的速度可以写成:

Ω是角速度张量,如果我们取角速度张量的对偶,我们即可得到角速度的伪矢量。

矩阵的乘法可以用外积来取代,导出:

由此可见,刚体中质点的速度可分解成两项-刚体中某固定参考点的速度再加上一项包含该质点相对于此参考点的角速度的外积。相较于O'点对于O点的角速度,这个角速度是 “自旋” 角速度。

很重要的是,每个在刚体中的质点具有相同的自旋角速度,此自旋角速度与刚体上或是实验室坐标系统的原点的选择无关。换句话说,这是一个刚体特质所具有的真实物理量,与坐标系统的选择无关。然而刚体上的参考点相对于实验室坐标原点的角速度则和坐标系统的选择有关,为了方便起见,通常选择该刚体的质心当作刚体坐标系统的原点,这将大大地简化以数学形式在刚体角动量的上的表达。


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