如果您是工程專業的學生或工程師，您可能知道旋轉是什麼意思。
但是你有沒有想過物體是如何繞軸運動的？這條看不見的線被稱為旋轉軸。
這是工程中的一個基本概念，可幫助您了解齒輪和渦輪機等物體的運動方式。
通過了解旋轉軸的含義，您可以更多地了解旋轉時事物的運動方式，並更好地了解我每天使用的機器有多麼複雜。
在本文中，我將討論旋轉軸的基礎知識及其在工程中的重要性。
這將幫助您以全新的方式理解旋轉運動。
旋轉軸簡介
正式定義：
一條直線穿過旋轉的剛體保持靜止的點，而剛體的其他點繞軸做圓周運動。
工程、物理和力學中的一個關鍵概念是旋轉軸。
它是一條虛構的直線，穿過三維物體，物體可以圍繞它轉動或旋轉。
換句話說，它是剛體旋轉的線。
慣性參考系表明旋轉軸可以固定並且不會移動或改變方向。
當身體的每個部分圍繞一條稱為旋轉軸的單線做圓周運動時，這稱為純旋轉運動。
固定軸假說說一個軸不能改變它的位置，所以它不能解釋像擺動或進動這樣的事情。
內部旋轉軸
3D 空間中的對象內部可以有多個旋轉軸。
但是一個物體不可能同時圍繞其中兩個軸轉動。
如果一個物體的新旋轉軸垂直於它原來的軸，它就不能同時在兩個軸上以相反的方向旋轉。
它會找到一個兩者平衡的點，沿著這條線，它會做第三個旋轉軸。
人體解剖學中的旋轉軸
在解剖學中，旋轉軸是一條經過關節轉動或樞軸點的虛線。
例如，彎曲和伸直手臂的旋轉軸穿過肘關節。
在人體解剖學中，存在三個軸。
- 前後軸（矢狀軸）從身體的前部到後部，從上到下。
- 縱軸（Vertical Axis）：從上到下，從前到後貫穿身體。
- 中間軸（橫軸）：從左到右，從後到前。
剛體的方向
剛體的定向方式由其自身軸指向的方式決定。
該方向由滾動約束和瞬時旋轉軸設置。
但是這個想法與旋轉軸沒有太大關係。
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旋轉和運動軸
旋轉運動是指剛體繞著不動的軸運動。
旋轉運動可以從地球繞其自身軸旋轉的方式以及車輪、齒輪和馬達的移動方式中看出。
工程師在製造旋轉的東西時必須考慮轉動慣量，因為它會影響發動機的工作性能和螺旋槳的製造方式。
旋轉運動學的變量和方程用於解決涉及扭矩和槓桿臂的現實問題。
您可以使用五個旋轉運動方程求解旋轉運動的示例。
此外，旋轉動力學著眼於物體的運動以及使其運動的力。
定軸旋轉的運動學和動力學
圍繞固定軸的旋轉比剛體的自由旋轉更容易在數學上計算出來，因為軸不能改變它的位置並且它不能解釋諸如擺動或進動之類的事情。
繞固定軸旋轉的剛體的運動學和動力學與沿單個固定方向運動的剛體完全相同。
對於可以在任何方向上自由旋轉的剛體來說，情況並非如此。
當物體繞固定軸而不是自由旋轉時，物體的動能和作用在其各部分上的力的表達式也更容易寫出。
旋轉慣性和變化的旋轉速度
當物體遠離旋轉軸時，改變系統的旋轉速度變得越來越困難。
這是因為隨著質量遠離軸，轉動慣量會增加。
轉動慣量受質量和質量中心到軸的距離的影響。
當某物被拉離或推離它的中心時，它的旋轉速度就更難改變了。
這是有道理的，因為如果有人試圖通過拉一端來旋轉某物，他們基本上是在試圖讓一側比另一側移動得更快。
如果一側的重量更大或離人拉動的地方更遠，則需要更大的力才能使該側以與其餘部分相同的速度移動。
旋轉物體的穩定性
旋轉時是否穩定取決於旋轉的主軸。
如果沒有來自外部的扭矩，繞一個軸旋轉的物體將繞其一些主軸擺動，但不會繞其他主軸擺動。
任何違背這些軸的運動都會迅速變大並導致更複雜的運動。
例如，一個旋轉的陀螺會搖晃，但當重心與旋轉軸重合時，它就會停止運動。
在設計旋轉系統時，必須考慮物體及其主軸的穩定性，以確保它們正常安全地工作。
慣性矩和旋轉軸
轉動慣量是一種測量轉動慣量的方法，轉動慣量是繞固定軸改變角速度的阻力。
它顯示了有多少質量靠近旋轉軸，有多少質量遠離旋轉軸。
慣性矩受靠近軸的質量的影響較小，而受距離較遠的質量的影響較大。
旋轉動能方程的積分形式可用於計算轉動慣量。
這是因為轉動慣量和角速度的平方直接相關。
計算轉動慣量
旋轉動能方程的積分形式可用於計算轉動慣量。
有了這個方程，你就可以計算出具有規則形狀的剛體的轉動慣量，比如圓柱體和球體。
可以通過實驗求出不同形狀物體的轉動慣量。
慣性矩的物理意義是它表明改變物體繞軸旋轉的方式有多麼困難。
離軸越遠質量越大的物體將具有更高的慣性矩，並且比離軸越遠質量越小的物體更難轉動。
慣性矩的應用
在工程學和物理學中，慣性矩是一個非常重要的概念。
例如，它用於電機、渦輪機和其他帶有運動部件的機器和工具的設計。
工程師還使用慣性矩來計算物體繞軸旋轉時的穩定性。
此外，慣性矩用於計算使物體以某種方式移動需要多少扭矩。
扭矩和角動量
扭矩是一種測量可以使某物繞軸轉動的力的方法。
物體越難獲得角加速度，其轉動慣量就越大。
這是旋轉系統的一個屬性，它取決於系統質量的分佈方式。
旋轉平衡
對於旋轉系統，旋轉平衡的概念與牛頓第一定律相同。
如果某物不旋轉，它將保持這種狀態，除非有外力改變它。
同理，一個以恆定角速度旋轉的物體，除非有外力作用，否則它會一直旋轉。
轉動慣量
慣性矩 (I) 等於所有元件的質量乘以它們與旋轉軸的距離乘以四的總和。
它是確定改變物體旋轉方式難易程度的關鍵參數。
外力施加在系統上的總扭矩等於 I 乘以其角加速度。
如果作用在物體上的扭矩不平衡，這意味著總扭矩不為零，物體將旋轉得更快。
牛頓關於旋轉的第二定律告訴我們這是如何工作的。
角動量守恆
當沒有來自外部的扭矩時，系統的總角動量保持不變。
這意味著如果在固定慣性參考系中的某個點周圍沒有淨外部扭矩，那麼空間中該點周圍的粒子系統的角動量將保持不變。
線性動量和力的旋轉版本是扭矩和角動量。
用例
| 用於： | 描述： |
|---|---|
| 機器人技術 | 旋轉軸用於控制機器人關節和手臂的移動方式。工程師可以通過控制旋轉軸對機器人進行編程，使其精確、準確地完成複雜的任務。例如，旋轉軸用於控制機器人手臂在裝配線上焊接汽車零件時的移動方式。 |
| 渦輪機械 | 渦輪機、壓縮機和其他渦輪機械使用旋轉軸在運動部件和非運動部件之間傳遞能量。工程師必須仔細規劃旋轉軸的形狀和位置，以確保機器盡可能高效地工作。 |
| 飛機 | 旋轉軸是它們構建方式和穩定性的關鍵部分。飛機要穩定且易於控制，其重心必須與其旋轉軸成一直線。工程師使用旋轉軸計算慣性矩並設計飛機的控制系統。 |
| 土木工程 | 橋樑、建築物和水壩等結構在製造時都考慮了旋轉軸。工程師必須確保旋轉軸與承重部件對齊，以確保結構穩定且堅固。 |
| 電的研究 | 製造電動機和發電機時考慮了旋轉軸。在電動機或發電機中，轉子繞旋轉軸旋轉以發電。工程師必須設計旋轉軸，使摩擦力盡可能小，並完成最多的工作。 |
結論
總之，旋轉軸是一個非常重要的工程概念，它可以告訴我們很多關於事物在旋轉時如何運動的信息。
通過了解旋轉軸，您可以更精確地分析和設計機器，從而使設計工作得更好、更高效。
但除了有用之外，旋轉軸還提醒人們大自然是多麼美麗和復雜。
旋轉軸是所有旋轉運動的中心，從陀螺的優雅旋轉到渦輪的強勁運動。
它以我們甚至可能沒有意識到的方式將我們與周圍的世界聯繫起來。
所以，下次你看到旋轉的東西時，想想它旋轉的無形軸，想想塑造我們世界的力量是多麼驚人和復雜。
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