Loading...
 

Ruch precesyjny bąka

Przykładem ruchu obrotowego, w którym oś obrotu nie jest nieruchomą w inercjalnym układzie odniesienia jest bąk wirujący dookoła pewnej osi symetrii. Z doświadczenia wiemy, że oś wirującego bąka porusza się dookoła osi pionowej, zakreślając powierzchnię stożka. Taki ruch nazywamy precesją.

W sytuacji przedstawionej na rysunku poniżej bąk ma prędkość kątową \( \omega \) dookoła swej osi. Ma również moment pędu L względem tej osi, która tworzy kąt \( \theta \) z osią pionową. Punkt podparcia bąka znajduje się w początku inercjalnego układu odniesienia.

Ruch precesyjny bąka
Rysunek 1: Ruch precesyjny bąka


Siła działająca na bąk w punkcie podparcia ma zerowy moment względem punktu podparcia ponieważ ramię siły jest równe zeru. Natomiast ciężar mg wytwarza względem punktu podparcia moment siły

(1)
\( {\bf \unicode[Times]{x3C4}} = {\bf r}\times m{\bf g} \)


gdzie r określa położenie środka masy. Z iloczynu wektorowego wynika, że \( {\bf \unicode[Times]{x3C4}} \) jest prostopadłe do r i do mg. Zauważmy, że wektory \( {\bf \unicode[Times]{x3C4}} \), L i r wirują dokoła osi pionowej z częstością precesji \( \omega_p \). Z rysunku wynika, że

(2)
\( \omega _{{p}}=\frac{\mathit{\Delta \varphi }}{\Delta \;t} \)


Ponieważ \( \Delta L \ll L \), to możemy napisać

(3)
\( \mathit{\Delta \varphi }\simeq \frac{\mathit{\Delta L}}{L\text{sin}\theta } \)


Z Dynamika ruchu obrotowego-Druga zasada dynamiki dla ruchu obrotowego oraz Zasada zachowania momentu pędu-( 1 ) wynika, że \( {\Delta L = \tau \Delta t} \)
więc

(4)
\( \mathit{\Delta \varphi }\simeq \frac{\mathit{\tau \Delta t}}{L\text{sin}\theta } \)


Ostatecznie otrzymujemy

(5)
\( \omega _p = \frac{\Delta \varphi}{\Delta t} = \frac{\tau}{L\sin\theta} \)


Zgodnie z Rys. 1 moment siły jest równy

\( \tau =rmg\sin(180^{\circ}-\theta) = rmg\sin\theta \)


więc ostatecznie

(7)
\( \omega _{{p}}=\frac{rmg}{L} \)


Zwróćmy uwagę, że prędkość precesji nie zależy od kąta \( \theta \) i jest odwrotnie proporcjonalna do wartości momentu pędu.

Spróbujmy teraz podać ogólne wektorowe równanie opisujące precesję. W tym celu najpierw przekształcamy równanie ( 6 ) do postaci

(8)
\( \tau =\omega _{{p}}L\sin\theta \)


Widać, że prawa strona równania jest równa wartości iloczynu wektorowego \( {\bf \unicode[Times]{x3C9}}_p \times {\bf L} \). Tak więc ostatecznie wyrażenie wiążące prędkość kątową precesji z momentem siły i momentem pędu ma postać

(9)
\( {\bf \unicode[Times]{x3C4}} = {\bf \unicode[Times]{x3C9}} _{{p}}\times {\bf L} \)


Zjawisko precesji momentu magnetycznego jest podstawą różnych technik doświadczalnych jak np. magnetyczny rezonans jądrowy (MRJ), które znalazły szerokie zastosowanie w badaniach naukowych, technice i medycynie.


Ostatnio zmieniona Poniedziałek 07 z Marzec, 2022 19:37:12 UTC Autor: Zbigniew Kąkol, Bartek Wiendlocha
Zaloguj się/Zarejestruj w OPEN AGH e-podręczniki
Czy masz już hasło?

Hasło powinno mieć przynajmniej 8 znaków, litery i cyfry oraz co najmniej jeden znak specjalny.

Przypominanie hasła

Wprowadź swój adres e-mail, abyśmy mogli przesłać Ci informację o nowym haśle.
Dziękujemy za rejestrację!
Na wskazany w rejestracji adres został wysłany e-mail z linkiem aktywacyjnym.
Wprowadzone hasło/login są błędne.