Bryła Sztywna

Bryła sztywna - definicja i informacje teoretyczne

Bryła sztywna to ciało fizyczne o strukturze, która uniemożliwia przemieszczanie się jego części względem siebie. Najprościej można ją określić jako obiekt, w którym wszystkie punkty zawsze mają stałą odległość względem siebie Są one określane materialnymi, ale nie są to obiekty istniejące w rzeczywistości. Stosuje się je dla uproszczenia i przybliżenia opisu ruchu danego ciała. To pojęcie jest formą uproszczenia bryły sztywnej, które zakłada, że ruch obrotowy ciała z pewnych powodów nie jest istotny. W ogólnym przypadku bryła sztywna posiada sześć stopni swobody. Ich liczbę można zdefiniować jako najmniejszą ilość niezależnych zmiennych koniecznych do opisania stanu układu w sposób jednoznaczny.
Wzory dotyczące dynamiki bryły sztywnej można znaleźć tutaj. Natomiast w tym artykule zajmiemy się praktycznym zastosowaniem dla omawianego pojęcia.

Ruch obrotowy bryły sztywnej w praktyce

Bryłę sztywną można scharakteryzować jako układ sztywno połączonych, niewielkich elementów nazywanych punktami materialnymi. W ruchu obrotowym każdy z nich, podczas obrotu bryły, porusza się po okręgu. Kiedy zsumujemy iloczyny mas tych punktów i kwadrat odległości od osi obrotu to otrzymamy moment bezwładności takiej bryły. Zapewne zastanawiasz się teraz co porusza się w ten sposób? Otóż jeden z przykładów jest nam bardzo bliski, chodzi o naszą planetę. Ruch Ziemi wokół własnej osi to ruch, który składa się z ruchu postępowego środka masy ciała oraz ruchu obrotowego względem pewnej osi. Za punkt materialny w tym przypadku uznajemy środek masy ciała.  W rozważaniach teoretycznych do opisywania ruchu obrotowego stosuje się odmienne pojęcia od używanych do opisania ruchu postępowego. W tym przypadku elementarnym prawem charakteryzującym ruch bryły sztywnej jest druga zasada dynamiki ruchu obrotowego. Dalsze objaśnienie teorii i wzory można również znaleźć na stronie podanej na początku artykułu.

Bryła sztywna a ruch postępowy

Drugim przypadkiem poruszania się bryły sztywnej jest ruch postępowy. W uproszczeniu można go opisać jako ruch, w którym wszystkie punkty bryły poruszają się w tym samym czasie po wspólnym torze. Może on mieć dowolny kształt i nie musi być prostoliniowy. W odróżnieniu od ruchu obrotowego, w tym przypadku każdy punkt bryły porusza się w danej chwili z jednakowym przyspieszeniem oraz prędkością. Tory ruchu tych punktów są w tym ruchu identyczne. Konsekwencją tego rodzaju ruchu jest to, że po czasie [t] o dowolnej wartości następuje równoległe przesunięcie bryły nazywane translacją. Oznacza to, że po tym czasie wszystkie punkty bryły zostają przemieszczone o ten sam wektor. Aby zwizualizować ten rodzaj ruchu bryły sztywnej, wystarczy wyobrazić sobie tramwaj i jego wagony sunące po torach w linii prostej. Odcinek, łączący dwa dowolne końce składu, (czyli naszej bryły sztywnej) przemieszcza się równolegle do siebie i zachowuje stały kierunek w przestrzeni.