Skip to content · ⁨Bỏ qua nội dung⁩

Energy and Momentum of Rotating Systems · ⁨Năng lượng và động lượng của hệ quay⁩

AP Physics 1 · ⁨AP Vật lý 1⁩ · Topic 6 · ⁨Chủ đề 6⁩

Video lesson for this topic · ⁨Bài học video cho chủ đề này⁩ Open the video page · ⁨Mở trang video⁩
7:54

Năng lượng và động lượng của hệ quay

Hãy xem một vận động viên trượt băng quay tròn với cánh tay duỗi ra. Cô ấy thu tay lại — và đột nhiên cô ấy quay nhanh hơn rất nhiều. Không ai đẩy cô ấy. Không động cơ nào bật lên. Vậy nguồn gốc của…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp⁩

6.1

Rotational Kinetic Energy · ⁨Động năng Quay⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 6.1.A: Describe the rotational kinetic energy of a rigid system in terms of the rotational inertia and angular velocity of that rigid system.

  • 6.1.A.1 The rotational kinetic energy of an object or rigid system is related to the rotational inertia and angular velocity of the rigid system and is given by the equation $K = \frac{1}{2} I \omega^2$.
    • 6.1.A.1.i The rotational inertia of an object about a fixed axis can be used to show that the rotational kinetic energy of that object is equivalent to its translational kinetic energy, which is its total kinetic energy.
    • 6.1.A.1.ii The total kinetic energy of a rigid system is the sum of its rotational kinetic energy due to its rotation about its center of mass and the translational kinetic energy due to the linear motion of its center of mass.
  • 6.1.A.2 A rigid system can have rotational kinetic energy while its center of mass is at rest due to the individual points within the rigid system having linear speed and, therefore, kinetic energy.
  • 6.1.A.3 Rotational kinetic energy is a scalar quantity.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 6.1.A: Mô tả động năng quay của một hệ vật cứng theo quán tính quay và vận tốc góc của hệ vật cứng đó.

  • 6.1.A.1 Động năng quay của một vật hay hệ vật cứng liên quan đến quán tính quay và vận tốc góc của hệ vật cứng và được cho bởi phương trình $K = \frac{1}{2} I \omega^2$.
    • 6.1.A.1.i Quán tính quay của một vật quanh một trục cố định có thể được sử dụng để chứng minh rằng động năng quay của vật đó tương đương với động năng tịnh tiến của nó, tức là tổng động năng của nó.
    • 6.1.A.1.ii Tổng động năng của một hệ vật cứng là tổng động năng quay do sự quay quanh trọng tâm của nó và động năng tịnh tiến do chuyển động tuyến tính của trọng tâm.
  • 6.1.A.2 Một hệ vật cứng có thể có động năng quay trong khi trọng tâm của nó đứng yên do các điểm riêng lẻ bên trong hệ vật cứng có vận tốc tuyến tính và, do đó, có động năng.
  • 6.1.A.3 Động năng quay là đại lượng vô hướng.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

A spinning object has rotational kinetic energy 转动动能, the rotational twin of $\tfrac12 mv^2$:

$$K_{\text{rot}}=\tfrac{1}{2}I\omega^2.$$
An object that both moves and spins (like a rolling ball) has both translational and rotational kinetic energy, and its total is $K=\tfrac12 mv^2+\tfrac12 I\omega^2$.

Tiếng Việt

Một vật đang quay có động năng quay, là bản sao quay của $\tfrac12 mv^2$:

$$K_{\text{rot}}=\tfrac{1}{2}I\omega^2.$$
Một vật vừa chuyển động vừa quay (như quả bóng lăn) có cả động năng tịnh tiến và động năng quay, tổng của nó là $K=\tfrac12 mv^2+\tfrac12 I\omega^2$.

6.2

Torque and Work · ⁨Mô-men Lực và Công⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 6.2.A: Describe the work done on a rigid system by a given torque or collection of torques.

  • 6.2.A.1 A torque can transfer energy into or out of an object or rigid system if the torque is exerted over an angular displacement.
  • 6.2.A.2 The amount of work done on a rigid system by a torque is related to the magnitude of that torque and the angular displacement through which the rigid system rotates during the interval in which that torque is exerted.
    • Equation: $W = \tau \Delta\theta$
  • 6.2.A.3 Work done on a rigid system by a given torque can be found from the area under the curve of a graph of torque as a function of angular position.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 6.2.A: Mô tả công thực hiện lên một hệ cứng bởi một mô-men lực cho trước hoặc một tập hợp các mô-men lực.

  • 6.2.A.1 Một mô-men lực có thể truyền năng lượng vào hoặc ra khỏi một vật thể hoặc hệ cứng nếu mô-men lực đó tác dụng trong một góc quay (độ dịch chuyển góc).
  • 6.2.A.2 Độ lớn của công thực hiện lên một hệ cứng bởi một mô-men lực liên quan đến độ lớn của mô-men lực đó và độ dịch chuyển góc mà hệ cứng quay trong khoảng thời gian mô-men lực đó tác dụng.
    • Phương trình: $W = \tau \Delta\theta$
  • 6.2.A.3 Công thực hiện lên một hệ cứng bởi một mô-men lực cho trước có thể tìm được từ diện tích dưới đường cong của đồ thị mô-men lực theo vị trí góc.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

A torque acting through an angular displacement does work, changing rotational kinetic energy:

$$W=\tau\,\Delta\theta,\qquad P=\tau\omega.$$
This is the rotational form of $W=Fd$ and $P=Fv$, and it extends the work–energy theorem to rotation.

Worked example. A motor applies a steady torque of $8.0\ \text{N m}$ to a flywheel while it turns through $10\ \text{rad}$. The work done is $W=\tau\,\Delta\theta=8.0\times10=80\ \text{J}$, and if the flywheel started from rest this all becomes rotational kinetic energy.

Tiếng Việt

Một mô-men tác động trong một độ dịch chuyển góc thực hiện công, làm thay đổi động năng quay:

$$W=\tau\,\Delta\theta,\qquad P=\tau\omega.$$
Đây là dạng quay của $W=Fd$ và $P=Fv$, và nó mở rộng định lý công-động năng sang chuyển động quay.

Ví dụ giải. Một động cơ tác dụng một mô-men ổn định là $8.0\ \text{N m}$ lên một bánh đà khi nó quay qua $10\ \text{rad}$. Công thực hiện là $W=\tau\,\Delta\theta=8.0\times10=80\ \text{J}$, và nếu bánh đà bắt đầu từ trạng thái nghỉ thì toàn bộ công này trở thành động năng quay.

Explore · ⁨Khám phá⁩

Balance torques on a seesaw · ⁨Cân bằng mô-men trên bẩy⁩

Torque is force times perpendicular distance, $\tau = Fd$. The beam balances when the torques on each side are equal — move the forces and distances to find the balance point. · ⁨Mô-men là lực nhân với khoảng cách vuông góc, $\tau = Fd$. Thanh cân bằng khi mô-men ở mỗi bên bằng nhau — di chuyển lực và khoảng cách để tìm điểm cân bằng.⁩

6.3

Angular Momentum and Angular Impulse · ⁨Động lượng Góc và Xung lượng Góc⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 6.3.A: Describe the angular momentum of an object or rigid system.

  • 6.3.A.1 The magnitude of the angular momentum of a rigid system about a specific axis can be described with the equation $L = I\omega$.
  • 6.3.A.2 The magnitude of the angular momentum of an object about a given point is $L = rmv \sin\theta$.
    • 6.3.A.2.i The selection of the axis about which an object is considered to rotate influences the determination of the angular momentum of that object.
    • 6.3.A.2.ii The measured angular momentum of an object traveling in a straight line depends on the distance between the reference point and the object, the mass of the object, the speed of the object, and the angle between the radial distance and the velocity of the object.

Learning Objective 6.3.B: Describe the angular impulse delivered to an object or rigid system by a torque.

  • 6.3.B.1 Angular impulse is defined as the product of the torque exerted on an object or rigid system and the time interval during which the torque is exerted.
    • Equation: $\text{angular impulse} = \tau \Delta t$
  • 6.3.B.2 Angular impulse has the same direction as the torque exerted on the object or system.
  • 6.3.B.3 The angular impulse delivered to an object or rigid system by a torque can be found from the area under the curve of a graph of the torque as a function of time.

Learning Objective 6.3.C: Relate the change in angular momentum of an object or rigid system to the angular impulse given to that object or rigid system.

  • 6.3.C.1 The magnitude of the change in angular momentum can be described by comparing the magnitudes of the final and initial angular momenta of the object or rigid system: $\Delta L = L - L_0$
  • 6.3.C.2 A rotational form of the impulse–momentum theorem relates the angular impulse delivered to an object or rigid system and the change in angular momentum of that object or rigid system.
    • 6.3.C.2.i The angular impulse exerted on an object or rigid system is equal to the change in angular momentum of that object or rigid system.
      • Equation: $\Delta L = \tau \Delta t$
    • 6.3.C.2.ii The rotational form of the impulse–momentum theorem is a direct result of the rotational form of Newton's second law of motion for cases in which rotational inertia is constant: $\tau_{\text{net}} = \dfrac{\Delta L}{\Delta t} = I \dfrac{\Delta\omega}{\Delta t} = I\alpha$
  • 6.3.C.3 The net torque exerted on an object is equal to the slope of the graph of the angular momentum of an object as a function of time.
  • 6.3.C.4 The angular impulse delivered to an object is equal to the area under the curve of a graph of the net external torque exerted on an object as a function of time.

Boundary statement: While AP Physics 1 expects that students can mathematically manipulate the magnitude of angular momentum using one-dimensional vector conventions, the direction of angular momentum and angular impulse is beyond the scope of the course.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 6.3.A: Mô tả động lượng góc của một vật thể hoặc hệ cứng.

  • 6.3.A.1 Độ lớn của động lượng góc của một hệ cứng quanh một trục xác định có thể được mô tả bằng phương trình $L = I\omega$.
  • 6.3.A.2 Độ lớn của động lượng góc của một vật thể quanh một điểm cho trước là $L = rmv \sin\theta$.
    • 6.3.A.2.i Việc lựa chọn trục mà vật thể được xem xét quay sẽ ảnh hưởng đến việc xác định động lượng góc của vật thể đó.
    • 6.3.A.2.ii Động lượng góc đo được của một vật thể di chuyển theo đường thẳng phụ thuộc vào khoảng cách giữa điểm tham chiếu và vật thể, khối lượng của vật thể, tốc độ của vật thể, và góc giữa bán kính (khoảng cách radial) và vận tốc của vật thể.

Mục tiêu học tập 6.3.B: Mô tả xung động lượng góc được cung cấp cho một vật thể hoặc hệ cứng bởi một mô-men lực.

  • 6.3.B.1 Xung động lượng góc được định nghĩa là tích của mô-men lực tác dụng lên một vật thể hoặc hệ cứng và khoảng thời gian mà mô-men lực đó tác dụng.
    • Phương trình: $\text{angular impulse} = \tau \Delta t$
  • 6.3.B.2 Xung động lượng góc có cùng hướng với mô-men lực tác dụng lên vật thể hoặc hệ.
  • 6.3.B.3 Xung động lượng góc được cung cấp cho một vật thể hoặc hệ cứng bởi một mô-men lực có thể tìm được từ diện tích dưới đường cong của đồ thị mô-men lực theo thời gian.

Mục tiêu học tập 6.3.C: Liên hệ sự thay đổi động lượng góc của một vật thể hoặc hệ cứng với xung động lượng góc được cung cấp cho vật thể hoặc hệ đó.

  • 6.3.C.1 Độ lớn của sự thay đổi động lượng góc có thể được mô tả bằng cách so sánh độ lớn của động lượng góc cuối và đầu của vật thể hoặc hệ cứng: $\Delta L = L - L_0$
  • 6.3.C.2 Dạng quay của định lý xung – động lượng liên hệ giữa xung động lượng góc được cung cấp cho một vật thể hoặc hệ cứng và sự thay đổi động lượng góc của vật thể hoặc hệ đó.
    • 6.3.C.2.i Xung động lượng góc tác dụng lên một vật thể hoặc hệ cứng bằng sự thay đổi động lượng góc của vật thể hoặc hệ đó.
      • Phương trình: $\Delta L = \tau \Delta t$
    • 6.3.C.2.ii Dạng quay của định lý xung – động lượng là kết quả trực tiếp từ dạng quay của định luật II Newton đối với trường hợp mà quán tính quay không đổi: $\tau_{\text{net}} = \dfrac{\Delta L}{\Delta t} = I \dfrac{\Delta\omega}{\Delta t} = I\alpha$
  • 6.3.C.3 Mô-men lực tổng hợp tác dụng lên một vật thể bằng hệ số góc của đồ thị động lượng góc của vật thể theo thời gian.
  • 6.3.C.4 Xung động lượng góc được cung cấp cho một vật thể bằng diện tích dưới đường cong của đồ thị mô-men lực ngoại tổng hợp tác dụng lên vật thể theo thời gian.

Tuyên bố biên: Mặc dù AP Physics 1 yêu cầu học sinh có khả năng thao tác toán học độ lớn của động lượng góc sử dụng các quy ước vector một chiều, nhưng hướng của động lượng góc và xung động lượng góc nằm ngoài phạm vi của khóa học.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Angular momentum 角动量 is the rotational version of linear momentum:

$$L=I\omega.$$
A net torque acting over time delivers an angular impulse 角冲量 that changes it: $\tau\,\Delta t=\Delta L$ – the rotational impulse–momentum theorem.

Tiếng Việt

Động lượng góc là phiên bản quay của động lượng tuyến tính:

$$L=I\omega.$$
Một mô-men hợp tác dụng trong khoảng thời gian tạo ra một xung lượng góc làm thay đổi nó: $\tau\,\Delta t=\Delta L$ – định lý xung lượng-động lượng quay.

6.4

Conservation of Angular Momentum · ⁨Bảo toàn Động lượng Góc⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 6.4.A: Describe the behavior of a system using conservation of angular momentum.

  • 6.4.A.1 The total angular momentum of a system about a rotational axis is the sum of the angular momenta of the system's constituent parts about that axis.
  • 6.4.A.2 Any change to a system's angular momentum must be due to an interaction between the system and its surroundings.
    • 6.4.A.2.i The angular impulse exerted by one object or system on a second object or system is equal and opposite to the angular impulse exerted by the second object or system on the first. This is a direct result of Newton's third law.
    • 6.4.A.2.ii A system may be selected so that the total angular momentum of that system is constant.
    • 6.4.A.2.iii The angular speed of a nonrigid system may change without the angular momentum of the system changing if the system changes shape by moving mass closer to or further from the rotational axis.
    • 6.4.A.2.iv If the total angular momentum of a system changes, that change will be equivalent to the angular impulse exerted on the system.

Learning Objective 6.4.B: Describe how the selection of a system determines whether the angular momentum of that system changes.

  • 6.4.B.1 Angular momentum is conserved in all interactions.
  • 6.4.B.2 If the net external torque exerted on a selected object or rigid system is zero, the total angular momentum of that system is constant.
  • 6.4.B.3 If the net external torque exerted on a selected object or rigid system is nonzero, angular momentum is transferred between the system and the environment.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 6.4.A: Mô tả hành vi của một hệ sử dụng bảo toàn động lượng góc.

  • 6.4.A.1 Tổng động lượng góc của một hệ quanh một trục quay là tổng các động lượng góc của các bộ phận cấu thành hệ quanh trục đó.
  • 6.4.A.2 Bất kỳ sự thay đổi nào đối với động lượng góc của một hệ đều phải do tương tác giữa hệ và môi trường xung quanh.
    • 6.4.A.2.i Xung động lượng góc mà một vật thể hoặc hệ tác dụng lên vật thể hoặc hệ thứ hai bằng nhau và ngược chiều với xung động lượng góc mà vật thể hoặc hệ thứ hai tác dụng lên vật thể hoặc hệ đầu tiên. Đây là kết quả trực tiếp của định luật III Newton.
    • 6.4.A.2.ii Có thể chọn một hệ sao cho tổng động lượng góc của hệ đó không đổi.
    • 6.4.A.2.iii Tốc độ góc của một hệ không cứng có thể thay đổi mà không làm thay đổi động lượng góc của hệ nếu hệ thay đổi hình dạng bằng cách di chuyển khối lượng lại gần hoặc ra xa trục quay.
    • 6.4.A.2.iv Nếu tổng động lượng góc của một hệ thay đổi, thì sự thay đổi đó sẽ tương đương với xung động lượng góc tác dụng lên hệ.

Mục tiêu học tập 6.4.B: Mô tả cách việc lựa chọn hệ xác định liệu động lượng góc của hệ đó có thay đổi hay không.

  • 6.4.B.1 Động lượng góc được bảo toàn trong mọi tương tác.
  • 6.4.B.2 Nếu mô-men lực ngoại tổng hợp tác dụng lên một vật thể hoặc hệ cứng đã chọn bằng không, thì tổng động lượng góc của hệ đó không đổi.
  • 6.4.B.3 Nếu mô-men lực ngoại tổng hợp tác dụng lên một vật thể hoặc hệ cứng đã chọn khác không, động lượng góc sẽ được truyền giữa hệ và môi trường.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

If the net external torque on a system is zero, its total angular momentum is conserved 守恒:

$$I_1\omega_1=I_2\omega_2.$$
So if $I$ decreases, $\omega$ increases to keep $L$ constant – this is why a spinning skater speeds up when pulling their arms in. It applies to collisions and explosions of rotating systems too.

Worked example. A skater spins at $2.0\ \text{rev/s}$ with rotational inertia $I_1=4.0\ \text{kg m}^2$. She pulls her arms in, dropping her rotational inertia to $I_2=1.6\ \text{kg m}^2$. With no external torque, angular momentum is conserved:

$$\omega_2=\frac{I_1}{I_2}\,\omega_1=\frac{4.0}{1.6}\times2.0=5.0\ \text{rev/s}.$$
Her kinetic energy actually rises – the extra energy comes from the work her muscles do pulling her arms in against the outward pull.

Tiếng Việt

Nếu mô-men ngoại lực hợp tác dụng lên một hệ bằng không, tổng động lượng góc của hệ được bảo toàn:

$$I_1\omega_1=I_2\omega_2.$$
Vì vậy nếu $I$ giảm, $\omega$ tăng để giữ cho $L$ không đổi – đây là lý do tại sao một vận động viên trượt băng quay nhanh hơn khi thu tay lại. Hiện tượng này cũng áp dụng cho va chạm và vụ nổ trong các hệ thống quay.

Ví dụ có lời giải. Một vận động viên trượt băng quay với tốc độ góc $2.0\ \text{rev/s}$ và mô men quán tính $I_1=4.0\ \text{kg m}^2$. Cô thu tay lại, làm giảm mô men quán tính xuống còn $I_2=1.6\ \text{kg m}^2$. Không có mô-men ngoại lực, động lượng góc được bảo toàn:

$$\omega_2=\frac{I_1}{I_2}\,\omega_1=\frac{4.0}{1.6}\times2.0=5.0\ \text{rev/s}.$$
Động năng của cô ấy thực tế tăng – phần năng lượng dư thừa đến từ công mà cơ bắp cô ấy thực hiện khi kéo tay vào chống lại lực ly tâm hướng ra ngoài.

Kéo khối lượng vào trong làm giảm I, nên ω tăng để bảo toàn L = Iω
Kéo khối lượng vào trong làm giảm I, nên ω tăng để bảo toàn L = Iω
Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
rotational kinetic energy/rəʊˈteɪʃənl kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ động năng quay
Angular momentum/ˈæŋɡjʊlə məʊˈmentəm/ Động lượng góc
angular impulse/ˈæŋɡjʊlə ˈɪmpʌls/ xung lượng góc
conserved/kənˈsɜːvd/ bảo toàn
6.5

Rolling · ⁨Chuyển động Lăn⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 6.5.A: Describe the kinetic energy of a system that has translational and rotational motion.

  • 6.5.A.1 The total kinetic energy of a system is the sum of the system's translational and rotational kinetic energies.
    • Equation: $K_{\text{tot}} = K_{\text{trans}} + K_{\text{rot}}$

Learning Objective 6.5.B: Describe the motion of a system that is rolling without slipping.

  • 6.5.B.1 While rolling without slipping, the translational motion of a system's center of mass is related to the rotational motion of the system itself with the equations:
    • Equation: $\Delta x_{\text{cm}} = r\Delta\theta$
    • Equation: $v_{\text{cm}} = r\omega$
    • Equation: $a_{\text{cm}} = r\alpha$
  • 6.5.B.2 For ideal cases, rolling without slipping implies that the frictional force does not dissipate any energy from the rolling system.

Learning Objective 6.5.C: Describe the motion of a system that is rolling while slipping.

  • 6.5.C.1 When slipping, the motion of a system's center of mass and the system's rotational motion cannot be directly related.
  • 6.5.C.2 When a rotating system is slipping relative to another surface, the point of application of the force of kinetic friction exerted on the system moves with respect to the surface, so the force of kinetic friction will dissipate energy from the system.

Boundary statement: Rolling friction is beyond the scope of AP Physics 1.

Boundary statement: The precise mathematical relationships between linear and angular quantities while a rigid body is rolling while slipping are beyond the scope of AP Physics 1 and 2, and students will not be expected to model those relationships quantitatively. However, students are expected to qualitatively explain the changes to linear and angular quantities while a rigid body is rolling while slipping.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 6.5.A: Mô tả động năng của một hệ có cả chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay.

  • 6.5.A.1 Tổng động năng của một hệ là tổng các động năng tịnh tiến và động năng quay của hệ.
    • Phương trình: $K_{\text{tot}} = K_{\text{trans}} + K_{\text{rot}}$

Mục tiêu học tập 6.5.B: Mô tả chuyển động của một hệ đang lăn không trượt.

  • 6.5.B.1 Khi lăn không trượt, chuyển động tịnh tiến của trọng tâm hệ thống liên quan đến chuyển động quay của chính hệ thống theo các phương trình:
    • Phương trình: $\Delta x_{\text{cm}} = r\Delta\theta$
    • Phương trình: $v_{\text{cm}} = r\omega$
    • Phương trình: $a_{\text{cm}} = r\alpha$
  • 6.5.B.2 Trong trường hợp lý tưởng, lăn không trượt có nghĩa là lực ma sát không làm tiêu tán bất kỳ năng lượng nào từ hệ thống đang lăn.

Mục tiêu học tập 6.5.C: Mô tả chuyển động của một hệ thống đang lăn có trượt.

  • 6.5.C.1 Khi có trượt, chuyển động của trọng tâm hệ thống và chuyển động quay của hệ thống không thể liên kết trực tiếp với nhau.
  • 6.5.C.2 Khi một hệ thống đang quay trượt so với bề mặt khác, điểm đặt của lực ma sát động tác dụng lên hệ thống di chuyển tương đối với bề mặt, do đó lực ma sát động sẽ làm tiêu tán năng lượng từ hệ thống.

Tuyên bố giới hạn: Ma sát lăn nằm ngoài phạm vi của AP Physics 1.

Tuyên bố giới hạn: Các mối quan hệ toán học chính xác giữa các đại lượng tuyến tính và góc khi một vật cứng lăn có trượt nằm ngoài phạm vi của AP Physics 1 và 2, và học sinh sẽ không được yêu cầu mô hình hóa các mối quan hệ này một cách định lượng. Tuy nhiên, học sinh cần giải thích bằng lời (định tính) những thay đổi đối với các đại lượng tuyến tính và góc khi một vật cứng lăn có trượt.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Rolling without slipping 纯滚动 links the translational and rotational motions: the contact point is momentarily at rest, so

$$v=r\omega \qquad\text{and}\qquad a=r\alpha.$$
A rolling object's energy splits between translation and rotation, so on an incline it accelerates more slowly than a frictionless sliding object – some energy goes into spin.

Worked example. For a solid disk ($I=\tfrac12 mR^2$) that rolls without slipping, what fraction of its kinetic energy is rotational? Using $v=R\omega$, the rotational part is $\tfrac12 I\omega^2=\tfrac12(\tfrac12 mR^2)\omega^2=\tfrac14 mv^2$, while the translational part is $\tfrac12 mv^2$. So the total is $\tfrac34 mv^2$ and the rotational share is $\tfrac{1/4}{3/4}=\tfrac13$. A hoop, with its mass farther out, stores half its energy in spin and rolls down a ramp even more slowly.

Tiếng Việt

Lăn không trượt liên kết chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay: điểm tiếp xúc tức thời đứng yên, do đó

$$v=r\omega \qquad\text{and}\qquad a=r\alpha.$$
Năng lượng của vật lăn phân chia giữa chuyển động tịnh tiến và quay, nên trên mặt dốc nó gia tốc chậm hơn so với vật trượt không ma sát – một phần năng lượng đi vào chuyển động quay.

Ví dụ giải. Đối với một đĩa đặc ($I=\tfrac12 mR^2$) lăn không trượt, tỷ lệ nào của động năng là động năng quay? Sử dụng $v=R\omega$, phần quay là $\tfrac12 I\omega^2=\tfrac12(\tfrac12 mR^2)\omega^2=\tfrac14 mv^2$, trong khi phần tịnh tiến là $\tfrac12 mv^2$. Vậy tổng là $\tfrac34 mv^2$ và tỷ lệ quay là $\tfrac{1/4}{3/4}=\tfrac13$. Một vòng tròn, với khối lượng nằm xa hơn về phía rìa, lưu trữ một nửa năng lượng vào chuyển động quay và lăn xuống dốc chậm hơn nữa.

Trong lăn không trượt, điểm tiếp xúc đứng yên, nên v = rω
Trong lăn không trượt, điểm tiếp xúc đứng yên, nên v = rω
Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
Rolling without slipping/ˈrəʊlɪŋ wɪˈðaʊt ˈslɪpɪŋ/ Lăn không trượt
satellite/ˈsætəlaɪt/ tinh vân
Escape velocity/eˈskeɪp vəˈlɒsɪti/ Vận tốc thoát ly
6.6

Motion of Orbiting Satellites · ⁨Chuyển động của Vệ tinh Quanh quỹ đạo⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 6.6.A: Describe the motions of a system consisting of two objects interacting only via gravitational forces.

  • 6.6.A.1 In a system consisting only of a massive central object and an orbiting satellite with mass that is negligible in comparison to the central object's mass, the motion of the central object itself is negligible.
  • 6.6.A.2 The motion of satellites in orbits is constrained by conservation laws.
    • 6.6.A.2.i In circular orbits, the system's total mechanical energy, the system's gravitational potential energy, and the satellite's angular momentum and kinetic energy are constant.
    • 6.6.A.2.ii In elliptical orbits, the system's total mechanical energy and the satellite's angular momentum are constant, but the system's gravitational potential energy and the satellite's kinetic energy can each change.
    • 6.6.A.2.iii The gravitational potential energy of a system consisting of a satellite and a massive central object is defined to be zero when the satellite is an infinite distance from the central object.
      • Equation: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
  • 6.6.A.3 The escape velocity of a satellite is the satellite's velocity such that the mechanical energy of the satellite–central-object system is equal to zero.
    • 6.6.A.3.i When the only force exerted on a satellite is gravity from a central object, a satellite that reaches escape velocity will move away from the central body until its speed reaches zero at an infinite distance from the central body.
    • 6.6.A.3.ii The escape velocity of a satellite from a central body of mass $M$ can be derived using conservation of energy laws.
      • Equation (derived): $v_{\text{esc}} = \sqrt{\dfrac{2GM}{r}}$
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 6.6.A: Mô tả chuyển động của một hệ thống gồm hai vật tương tác chỉ thông qua lực hấp dẫn.

  • 6.6.A.1 Trong hệ thống chỉ bao gồm một vật trung tâm mass lớn và một vệ tinh có khối lượng bỏ so với khối lượng của vật trung tâm, bản thân chuyển động của vật trung tâm là không đáng kể.
  • 6.6.A.2 Chuyển động của các vệ tinh trong quỹ đạo bị ràng buộc bởi các định luật bảo toàn.
    • 6.6.A.2.i Trong các quỹ đạo tròn, tổng năng lượng cơ học của hệ thống, thế năng hấp dẫn của hệ thống, động lượng góc và động năng của vệ tinh đều không đổi.
    • 6.6.A.2.ii Trong các quỹ đạo elip, tổng năng lượng cơ học của hệ thống và động lượng góc của vệ tinh không đổi, nhưng thế năng hấp dẫn của hệ thống và động năng của vệ tinh có thể thay đổi.
    • 6.6.A.2.iii Thế năng hấp dẫn của hệ thống gồm một vệ tinh và một vật trung tâm mass lớn được quy ước bằng 0 khi vệ tinh ở vô cùng xa vật trung tâm.
      • Phương trình: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
  • 6.6.A.3 Vận tốc thoát ly của một vệ tinh là vận tốc của vệ tinh sao cho năng lượng cơ học của hệ thống vệ tinh–vật trung tâm bằng 0.
    • 6.6.A.3.i Khi lực duy nhất tác dụng lên vệ tinh là lực hấp dẫn từ vật trung tâm, một vệ tinh đạt vận tốc thoát ly sẽ di chuyển ra xa vật trung tâm cho đến khi tốc độ của nó giảm về 0 tại khoảng cách vô cùng từ vật trung tâm.
    • 6.6.A.3.ii Vận tốc thoát ly của một vệ tinh khỏi một vật trung tâm có khối lượng $M$ có thể được suy导出 từ các định luật bảo toàn năng lượng.
      • Phương trình (suy导出): $v_{\text{esc}} = \sqrt{\dfrac{2GM}{r}}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English
Orbital motion (Kepler's 2nd law)

A satellite 卫星 in orbit is in free fall: gravity provides the exact centripetal force needed to curve its path into an orbit. Setting gravity equal to the centripetal requirement,

$$\frac{GMm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}\ \Rightarrow\ v=\sqrt{\frac{GM}{r}}.$$
So a larger orbit means a slower speed. For a circular orbit, angular momentum and mechanical energy are both constant; for an elliptical orbit, angular momentum is conserved (no torque about the planet) while speed varies – fastest when closest.

Worked example. Find the speed of a satellite in a low orbit just above the Earth, radius $r=6.4\times10^{6}\ \text{m}$, with $GM=4.0\times10^{14}\ \text{m}^3/\text{s}^2$:

$$v=\sqrt{\frac{GM}{r}}=\sqrt{\frac{4.0\times10^{14}}{6.4\times10^{6}}}=\sqrt{6.25\times10^{7}}\approx 7.9\times10^{3}\ \text{m/s},$$
about $7.9\ \text{km/s}$ – and notice that the satellite's mass cancels, so all low orbits share this speed.

Escape velocity 逃逸速度 is the launch speed that just lets an object leave for good: its total mechanical energy is exactly zero, so it slows to zero speed only at infinite distance. Setting $\tfrac12 mv^2 - \dfrac{GMm}{r}=0$ (using the general gravitational PE $U_g=-GMm/r$) and solving for $v$,

$$v_{\text{esc}}=\sqrt{\frac{2GM}{r}}.$$
It is $\sqrt2$ times the circular-orbit speed at the same radius, and (like orbital speed) does not depend on the escaping object's mass.

Tiếng Việt
Chuyển động quỹ đạo (Định luật 2 Kepler)

Một vệ tinh trong quỹ đạo đang rơi tự do: trọng lực cung cấp chính xác lực hướng tâm cần thiết để bẻ cong đường đi của nó thành một quỹ đạo. Đặt trọng lực bằng yêu cầu lực hướng tâm,

$$\frac{GMm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}\ \Rightarrow\ v=\sqrt{\frac{GM}{r}}.$$
Vì vậy quỹ đạo lớn hơn có nghĩa là tốc độ chậm hơn. Đối với quỹ đạo tròn, động lượng góc và năng lượng cơ học đều không đổi; đối với quỹ đạo elip, động lượng góc được bảo toàn (không có mô-men quanh hành tinh) trong khi tốc độ thay đổi – nhanh nhất khi gần nhất.

Trọng lực tạo ra lực hướng tâm giữ vệ tinh trên quỹ đạo
Trọng lực cung cấp lực hướng tâm giữ vệ tinh trong quỹ đạo

Ví dụ giải. Tìm tốc độ của một vệ tinh trong quỹ đạo thấp ngay trên Trái Đất, bán kính $r=6.4\times10^{6}\ \text{m}$, với $GM=4.0\times10^{14}\ \text{m}^3/\text{s}^2$:

$$v=\sqrt{\frac{GM}{r}}=\sqrt{\frac{4.0\times10^{14}}{6.4\times10^{6}}}=\sqrt{6.25\times10^{7}}\approx 7.9\times10^{3}\ \text{m/s},$$
khoảng $7.9\ \text{km/s}$ – và chú ý rằng khối lượng vệ tinh bị triệt tiêu, vì vậy tất cả các quỹ đạo thấp đều có cùng tốc độ này.

Ảnh chụp Trạm Vũ trụ Quốc tế đang quỹ đạo quanh Trái Đất
Trạm Vũ trụ Quốc tế: một vệ tinh thực tế được giữ trong quỹ đạo chỉ bởi trọng lực

Tốc độ thoát ly là tốc độ phóng thích vừa đủ để một vật thể rời đi mãi mãi: tổng năng lượng cơ học của nó chính xác bằng không, vì vậy nó giảm tốc độ về không chỉ ở vô cực. Đặt $\tfrac12 mv^2 - \dfrac{GMm}{r}=0$ (sử dụng thế năng hấp dẫn tổng quát $U_g=-GMm/r$) và giải tìm $v$,

$$v_{\text{esc}}=\sqrt{\frac{2GM}{r}}.$$
Nó bằng $\sqrt2$ lần tốc độ quỹ đạo tròn tại cùng bán kính, và (giống như tốc độ quỹ đạo) không phụ thuộc vào khối lượng của vật thể thoát ly.

Explore · ⁨Khám phá⁩

Compare orbits at different radii · ⁨So sánh quỹ đạo ở bán kính khác nhau⁩

A satellite is in free fall, its gravity supplying the centripetal force. A larger orbit means a slower speed and a longer period — Kepler's third law. · ⁨Vệ tinh đang ở trạng thái rơi tự do, trọng lực cung cấp lực hướng tâm. Quỹ đạo lớn hơn nghĩa là tốc độ chậm hơn và chu kỳ dài hơn — định luật Kepler thứ ba.⁩

6.6

Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

English
  • Conserve angular momentum $L=I\omega$ when no external torque acts: a smaller $I$ (arms pulled in) gives a larger $\omega$.
  • A rolling object splits its energy between $\tfrac12 mv^2$ and $\tfrac12 I\omega^2$, linked by $v=r\omega$ — so it accelerates down a ramp more slowly than a sliding one.
  • For a circular orbit set gravity equal to the centripetal requirement: $v=\sqrt{GM/r}$, so a larger orbit is slower and the satellite's mass cancels.
  • Pulling in raises the spin and the kinetic energy — the extra energy comes from the work done pulling inward; $L$ is unchanged.
  • Watch which rotational quantity is conserved: $L$ (no torque) versus energy (no friction) are different conditions.
Tiếng Việt
  • Bảo toàn động lượng góc $L=I\omega$ khi không có mô-men ngoại lực tác dụng: $I$ nhỏ hơn (tay thu lại) dẫn đến $\omega$ lớn hơn.
  • Một vật lăn phân chia năng lượng giữa $\tfrac12 mv^2$ và $\tfrac12 I\omega^2$, liên kết qua $v=r\omega$ – vì vậy nó gia tốc xuống dốc chậm hơn so với vật trượt.
  • Đối với quỹ đạo tròn, đặt trọng lực bằng yêu cầu lực hướng tâm: $v=\sqrt{GM/r}$, do đó quỹ đạo lớn hơn chậm hơn và khối lượng vệ tinh bị triệt tiêu.
  • Thu tay vào làm tăng cả spin và động năng – phần năng lượng dư thừa đến từ công thực hiện khi kéo vào trong; $L$ không đổi.
  • Chú ý đại lượng quay nào được bảo toàn: $L$ (không có mô-men) so với năng lượng (không có ma sát) là những điều kiện khác nhau.

Interactive lessons on this topic · ⁨Bài học tương tác về chủ đề này⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.⁩

Past Papers · ⁨Đề thi cũ⁩

More topics in AP Physics 1 · ⁨AP Vật lý 1⁩ · ⁨Nhiều chủ đề hơn trong AP Physics 1 · ⁨AP Vật lý 1⁩⁩

Log in or create account · ⁨Đăng nhập hoặc tạo tài khoản⁩

IGCSE, A-Level & AP