什麼是線速度?
線速度(又稱切線速度)是指旋轉物體上某一點沿著圓周路徑移動的速率。它取決於該點與旋轉軸的距離(半徑 \(r\)),以及物體旋轉的快慢(角速度 \(\omega\))。兩者之間的關係,可用一條簡單又通用的公式表示:$$v = r\cdot\omega$$。
計算機使用方法
請輸入以公尺(m)為單位的半徑 \(r\),以及以每秒弧度(rad/s)為單位的角速度 \(\omega\)。計算機會將兩者相乘,得出以每秒公尺(m/s)為單位的線速度 \(v\)。如果你的角速度是以每分鐘轉速(rpm)表示,請先換算:$$\omega\,(\text{rad/s}) = \text{rpm} \times \frac{2\pi}{60}$$。
公式詳解
在 $$v = r\cdot\omega$$ 這條公式中,\(\omega\) 必須使用每秒弧度為單位,計算結果才能符合一致的國際單位制(SI)。半徑越大,代表同一點每轉一圈所掃過的弧長越長,因此即使角速度相同,移動速度也會更快。這也說明了為什麼旋轉中的圓盤,外緣的速度會比靠近圓心的點快上許多。
範例演算
一個半徑為 0.5 m 的輪子,以 10 rad/s 的角速度旋轉。其邊緣的線速度為 $$v = 0.5 \times 10 = 5 \text{ m/s}$$。若半徑加倍為 1 m,在相同的角速度下,邊緣速度也會加倍為 10 m/s。
常見問題
我應該使用什麼單位?半徑使用公尺、角速度使用 rad/s,結果即為 m/s。只要 \(\omega\) 是以弧度表示,任何一致的單位系統都適用。
如何將 rpm 換算成 rad/s?將 rpm 乘以 \(2\pi/60\)(約 0.10472)即可。例如:60 rpm = 6.283 rad/s。
線速度和角速度是同一回事嗎?不是。角速度衡量的是旋轉速率(rad/s),在物體上各處都相同;而線速度(m/s)則取決於該點與旋轉軸的距離。