如果您是工程专业的学生或工程师，您可能知道旋转是什么意思。
但是你有没有想过物体是如何绕轴运动的？这条看不见的线被称为旋转轴。
这是工程中的一个基本概念，可帮助您了解齿轮和涡轮机等物体的运动方式。
通过了解旋转轴的含义，您可以更多地了解旋转时事物的运动方式，并更好地了解我每天使用的机器有多么复杂。
在本文中，我将讨论旋转轴的基础知识及其在工程中的重要性。
这将帮助您以全新的方式理解旋转运动。
旋转轴简介
正式定义：
一条直线穿过旋转的刚体保持静止的点，而刚体的其他点绕轴做圆周运动。
工程、物理和力学中的一个关键概念是旋转轴。
它是一条虚构的直线，穿过三维物体，物体可以围绕它转动或旋转。
换句话说，它是刚体旋转的线。
惯性参考系表明旋转轴可以固定并且不会移动或改变方向。
当身体的每个部分围绕一条称为旋转轴的单线做圆周运动时，这称为纯旋转运动。
固定轴假说说一个轴不能改变它的位置，所以它不能解释像摆动或进动这样的事情。
内部旋转轴
3D 空间中的对象内部可以有多个旋转轴。
但是一个物体不可能同时围绕其中两个轴转动。
如果一个物体的新旋转轴垂直于它原来的轴，它就不能同时在两个轴上以相反的方向旋转。
它会找到一个两者平衡的点，沿着这条线，它会做第三个旋转轴。
人体解剖学中的旋转轴
在解剖学中，旋转轴是一条经过关节转动或枢轴点的虚线。
例如，弯曲和伸直手臂的旋转轴穿过肘关节。
在人体解剖学中，存在三个轴。
- 前后轴（矢状轴）从身体的前部到后部，从上到下。
- 纵轴（Vertical Axis）：从上到下，从前到后贯穿身体。
- 中间轴（横轴）：从左到右，从后到前。
刚体的方向
刚体的定向方式由其自身轴指向的方式决定。
该方向由滚动约束和瞬时旋转轴设置。
但是这个想法与旋转轴没有太大关系。
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旋转和运动轴
旋转运动是指刚体绕着不动的轴运动。
旋转运动可以从地球绕其自身轴旋转的方式以及车轮、齿轮和马达的移动方式中看出。
工程师在制造旋转的东西时必须考虑转动惯量，因为它会影响发动机的工作性能和螺旋桨的制造方式。
旋转运动学的变量和方程用于解决涉及扭矩和杠杆臂的现实问题。
您可以使用五个旋转运动方程求解旋转运动的示例。
此外，旋转动力学着眼于物体的运动以及使其运动的力。
定轴旋转的运动学和动力学
围绕固定轴的旋转比刚体的自由旋转更容易在数学上计算出来，因为轴不能改变它的位置并且它不能解释诸如摆动或进动之类的事情。
绕固定轴旋转的刚体的运动学和动力学与沿单个固定方向运动的刚体完全相同。
对于可以在任何方向上自由旋转的刚体来说，情况并非如此。
当物体绕固定轴而不是自由旋转时，物体的动能和作用在其各部分上的力的表达式也更容易写出。
旋转惯性和变化的旋转速度
当一个物体远离旋转轴移动时，它变得越来越难改变系统的旋转速度。
这是因为随着质量远离轴，转动惯量会增加。
转动惯量受质量和质量中心到轴的距离的影响。
当某物被拉离或推离它的中心时，它的旋转速度就更难改变了。
这是有道理的，因为如果有人试图通过拉一端来旋转某物，他们基本上是在试图让一侧比另一侧移动得更快。
如果一侧的重量更大或离人拉动的地方更远，则需要更大的力才能使该侧以与其余部分相同的速度移动。
旋转物体的稳定性
旋转时是否稳定取决于旋转的主轴。
如果没有来自外部的扭矩，绕一个轴旋转的物体将绕其一些主轴摆动，但不会绕其他主轴摆动。
任何违背这些轴的运动都会迅速变大并导致更复杂的运动。
例如，一个旋转的陀螺会摇晃，但当重心与旋转轴重合时，它就会停止运动。
在设计旋转系统时，必须考虑物体及其主轴的稳定性，以确保它们正常安全地工作。
惯性矩和旋转轴
转动惯量是一种测量转动惯量的方法，转动惯量是绕固定轴改变角速度的阻力。
它显示了有多少质量靠近旋转轴，有多少质量远离旋转轴。
惯性矩受靠近轴的质量的影响较小，而受距离较远的质量的影响较大。
旋转动能方程的积分形式可用于计算转动惯量。
这是因为转动惯量和角速度的平方直接相关。
计算转动惯量
旋转动能方程的积分形式可用于计算转动惯量。
有了这个方程，你就可以计算出具有规则形状的刚体的转动惯量，比如圆柱体和球体。
可以通过实验求出不同形状物体的转动惯量。
惯性矩的物理意义是它表明改变物体绕轴旋转的方式有多么困难。
离轴越远质量越大的物体将具有更高的惯性矩，并且比离轴越远质量越小的物体更难转动。
惯性矩的应用
在工程学和物理学中，惯性矩是一个非常重要的概念。
例如，它用于电机、涡轮机和其他带有运动部件的机器和工具的设计。
工程师还使用惯性矩来计算物体绕轴旋转时的稳定性。
此外，惯性矩用于计算使物体以某种方式移动需要多少扭矩。
扭矩和角动量
扭矩是一种测量可以使某物绕轴转动的力的方法。
物体越难获得角加速度，其转动惯量就越大。
这是旋转系统的一个属性，它取决于系统质量的分布方式。
旋转平衡
对于旋转系统，旋转平衡的概念与牛顿第一定律相同。
如果某物不旋转，它将保持这种状态，除非有外力改变它。
同理，一个以恒定角速度旋转的物体，除非有外力作用，否则它会一直旋转。
转动惯量
惯性矩 (I) 等于所有元件的质量乘以它们与旋转轴的距离乘以四的总和。
它是确定改变物体旋转方式难易程度的关键参数。
外力施加在系统上的总扭矩等于 I 乘以其角加速度。
如果作用在物体上的扭矩不平衡，这意味着总扭矩不为零，物体将旋转得更快。
牛顿关于旋转的第二定律告诉我们这是如何工作的。
角动量守恒
当没有来自外部的扭矩时，系统的总角动量保持不变。
这意味着如果在固定惯性参考系中的某个点周围没有净外部扭矩，那么空间中该点周围的粒子系统的角动量将保持不变。
线性动量和力的旋转版本是扭矩和角动量。
用例
| 用于： | 描述： |
|---|---|
| 机器人技术 | 旋转轴用于控制机器人关节和手臂的移动方式。工程师可以通过控制旋转轴对机器人进行编程，使其精确、准确地完成复杂的任务。例如，旋转轴用于控制机器人手臂在装配线上焊接汽车零件时的移动方式。 |
| 涡轮机械 | 涡轮机、压缩机和其他涡轮机械使用旋转轴在运动部件和非运动部件之间传递能量。工程师必须仔细规划旋转轴的形状和位置，以确保机器尽可能高效地工作。 |
| 飞机 | 旋转轴是它们构建方式和稳定性的关键部分。飞机要稳定且易于控制，其重心必须与其旋转轴成一直线。工程师使用旋转轴计算惯性矩并设计飞机的控制系统。 |
| 土木工程 | 桥梁、建筑物和水坝等结构在制造时都考虑了旋转轴。工程师必须确保旋转轴与承重部件对齐，以确保结构稳定且坚固。 |
| 电的研究 | 制造电动机和发电机时考虑了旋转轴。在电动机或发电机中，转子绕旋转轴旋转以发电。工程师必须设计旋转轴，使摩擦力尽可能小，并完成最多的工作。 |
结论
总之，旋转轴是一个非常重要的工程概念，它可以告诉我们很多关于事物在旋转时如何运动的信息。
通过了解旋转轴，您可以更精确地分析和设计机器，从而使设计工作得更好、更高效。
但除了有用之外，旋转轴还提醒人们大自然是多么美丽和复杂。
旋转轴是所有旋转运动的中心，从陀螺的优雅旋转到涡轮的强劲运动。
它以我们甚至可能没有意识到的方式将我们与周围的世界联系起来。
所以，下次你看到旋转的东西时，想想它旋转的无形轴，想想塑造我们世界的力量是多么惊人和复杂。
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