相同的方程式,換上新字母
當角加速度 \alpha 為定值時,轉動運動學方程式逐行對應直線運動的等加速度方程式。只要把 x 讀成 \theta、v 讀成 \omega、a 讀成 \alpha。無需重新推導——是同一套微積分。
等角加速度運動學——與 v = v₀ + at、x = v₀t + ½at²、v² = v₀² + 2ax 形式完全相同。
範例:硬碟加速旋轉
一個圓盤從靜止開始,在等角加速度下 4.0 秒內達到每分鐘 7200 轉(rpm)。求 \alpha,以及加速過程中共轉了幾圈。
留意策略:先把一切換成弧度,挑出只含已知量與單一未知量的方程式,最後再換回人類慣用單位。這套紀律幾乎能解決所有運動學問題。
等速率,卻仍在加速
用細繩以穩定速率讓球做圓周運動。它的速率從不改變,但速度卻在變——因為速度是向量,其方向不斷轉動。速度改變即代表有加速度。所以均勻圓周運動即使等速率,仍是加速運動。這幾乎讓每個人第一次都感到意外。
這個加速度直指圓心——我們稱之為向心的(尋向圓心)。其大小由轉動中的速度向量的幾何推得。
向心加速度與速率平方成正比、與半徑成反比——半徑減半,向心加速度加倍。
這就是向心加速度。以 v^2/r 的形式,它解釋了為何又急又快的轉彎會把你甩向車門:小 r 與大 v 都讓 a_c 變得巨大。
向心力不是一種新的力
由牛頓第二定律,指向圓心的加速度需要指向圓心的淨力。這個向內的力就是向心力。其大小為:
使質量 m 以速率 v 沿半徑 r 的圓運動所需的向內淨力。
轉彎時同時加速
若物體在圓上同時加速,它除了朝向圓心的向心加速度 a_c,還有沿輪緣的切線加速度 a_t = r\alpha。兩者互相垂直,故總加速度是它們的向量和。
駛出彎道時加速的車兩種分量都有;總加速度是它們的垂直向量和。