什麼是轉動動能?
轉動動能是物體因繞著某一軸旋轉而具有的能量。就像移動中的物體擁有平移動能(½mv²)一樣,旋轉中的物體也會儲存能量,而這份能量取決於質量在軸周圍的分布方式(即轉動慣量 I)以及旋轉的快慢(即角速度 ω)。本計算器適用於任何旋轉物體,例如飛輪、車輪、齒輪、行星與渦輪機等。
計算公式
轉動動能的公式如下:
$$KE = \frac{1}{2} \cdot I \cdot \omega^2$$
其中 KE 的單位為焦耳(J),I 為轉動慣量,單位是公斤・平方公尺(\(\text{kg}\cdot\text{m}^2\)),ω 則是角速度,單位為弧度/秒(rad/s)。要特別注意的是,能量與角速度的平方成正比,因此轉速增加一倍,儲存的能量就會變成四倍。
如何使用本計算器
只要輸入物體的轉動慣量與角速度,即可得到轉動動能。如果你的轉速是以每分鐘轉數(RPM)表示,請先換算:\(\omega\,(\text{rad/s}) = \text{RPM} \times 2\pi \div 60\)。
計算範例
假設一個飛輪的轉動慣量 \(I = 2\ \text{kg}\cdot\text{m}^2\),以 \(\omega = 10\ \text{rad/s}\) 的角速度旋轉。則 $$KE = \frac{1}{2} \times 2 \times 10^2 = \frac{1}{2} \times 2 \times 100 = 100\ \text{J}$$ 也就是說,這個飛輪儲存了 100 J 的轉動動能。
常見問題
應該使用什麼單位?建議使用國際單位制(SI):轉動慣量用 \(\text{kg}\cdot\text{m}^2\)、角速度用 rad/s,這樣算出的能量單位才會是焦耳。
如何把 RPM 換算成 rad/s?將 RPM 乘以 2π,再除以 60。舉例來說,\(60\ \text{RPM} = 60 \times 6.2832 \div 60 \approx 6.28\ \text{rad/s}\)。
為什麼能量會與 ω 的平方成正比?無論是直線運動還是轉動,動能都與速度的平方成正比,因此即使轉速只增加一點點,儲存的能量也會大幅提升。