Кіріспе
Объектінің ось бойынша қозғалуы – физикалық дененің қозғалысы. Айналу немесе айналма қозғалыс – дененің айналу осі деп аталатын орталық сызық бойымен дөңгелек қозғалысы. Жазық фигура айналу орталығындағы фигураның ішінде немесе сыртында кез келген нүктеде қиылысатын перпендикуляр осьтің айналасында сағат тілі бойынша немесе сағат тіліне қарсы бағытта айналуы мүмкін. Қатты дененің айналу осі мен бұрыштарының шексіз саны бар, соның ішінде хаотикалық айналу (кездейсоқ бағдарлар арасында), белгілі бір осьтің айналасында айналудан өзгеше. Дененің өзінің массалық орталығынан өтетін ішкі ось бойынша айналудың ерекше жағдайы спин (немесе авторотация) деп аталады. Айналудың кез келген түрі сәйкес бұрыштық жылдамдыққа (спин бұрыштық жылдамдығы және орбиталық бұрыштық жылдамдық) және бұрыштық импульсқа (спин бұрыштық импульсі және орбиталық бұрыштық импульс) байланысты.
movement of a physical body
Rotation or rotational motion is the circular movement of an object around a central line, known as axis of rotation. A plane figure can rotate in either a clockwise or counterclockwise sense around a perpendicular axis intersecting anywhere inside or outside the figure at a center of rotation. A solid figure has an infinite number of possible axes and angles of rotation, including chaotic rotation (between arbitrary orientations), in contrast to rotation around a fixed axis. The special case of a rotation with an internal axis passing through the body's own center of mass is known as a spin (or autorotation). Either type of rotation is involved in a corresponding type of angular velocity (spin angular velocity and orbital angular velocity) and angular momentum (spin angular momentum and orbital angular momentum).
Математика
Математикалық тұрғыдан алғанда, айналу – бұл қатаң дене қозғалысының бір түрі, ол трансляциядан айырмашылығы, кем дегенде бір нүктені өзгеріссіз ұстайды. Бұл анықтама екі өлшемде (жазықтықта) айналуға қолданылады, онда дәл бір нүкте бекітілген болады; сондай-ақ үш өлшемде (кеңістікте) де қолданылады, онда қосымша нүктелер бекітілген болуы мүмкін (мысалы, белгілі бір осьтің айналасында айналу кезінде, ол шексіз сызық ретінде қарастырылады). Барлық қатаң дене қозғалыстары айналу, трансляция немесе олардың комбинациясы болып табылады. Айналу – бұл ортақ нүктеге қарай жүзететін радиалды бағдарлану. Бұл ортақ нүкте айналу осінің ішінде орналасқан. Осі айналу жазықтығына перпендикуляр болады. Егер бір нүкте немесе осьтің айналасында айналудан кейін сол нүкте/осьтің айналасында екінші айналу жасалса, үшінші айналу орын алады. Айналудың кері (инверсиялық) әрекеті де айналу болып табылады. Осылайша, бір нүкте/осьтің айналасындағы айналулар топты құрайды. Дегенмен, бір нүкте немесе осьтің айналасында айналу және басқа нүкте/осьтің айналасында айналу нәтижесінде айналудан өзгеше қозғалыс туындауы мүмкін, мысалы, трансляция. X, y және z осьтерінің айналасындағы айналулар негізгі айналулар деп аталады. Кез келген осьтің айналасындағы айналуды x осінің айналасында айналу арқылы, содан кейін y осінің айналасында айналу арқылы және содан кейін z осінің айналасында айналу арқылы жүзеге асыруға болады. Яғни, кез келген кеңістіктік айналуды негізгі айналулардың комбинациясына жіктеуге болады.
Белгілі ось пен белгілі нүкте
Белгілі бір нүктеге қатысты үш өлшемдегі объектінің айналу тізбегінің кез келген комбинациясы әрқашан бір осьтің айналуымен тең (мұны сол осьге перпендикуляр жазықтықтағы айналу деп қарастыруға болады). Сол сияқты, үш өлшемдегі объектінің кез келген сәттегі айналу жылдамдығы белгілі бір осьтің айналуы болып табылады, бірақ бұл ось уақыт өте келе өзгеруі мүмкін. Үш өлшемнен басқа өлшемдерде объектінің айналуын бір осьтің айналасында сипаттаудың қажеті жоқ, себебі объекті арқылы бірнеше осьті бекітуге болады; оның орнына қарапайым айналулар жазықтықта деп сипатталады. Төрт немесе одан көп өлшемде жазықтықтағы екі немесе одан көп айналудың комбинациясы, әдетте, бір жазықтықтағы айналу болып табылмайды.
Оралу жазықтығы
Әрбір үш өлшемді айналудың айналу осі болғандай, әрбір үш өлшемді айналудың да жазықтығы бар, ол айналу осіне перпендикуляр және айналу кезінде өзгермейтін жазықтық. Бұл жазықтықтағы айналу – қалыпты 2D айналу. Дәлелдеу жоғарыдағы талқылауға ұқсас. Біріншіден, 3D айналу матрицасы A-ның барлық өзіндік мәндері нақты деп есептейік. Бұл сәйкес келетін өзіндік векторлар (ол міндетті түрде ортогональды) құратын ортогональды негіздің бар екенін білдіреді, оған айналу матрицасының әсері тек созу болып табылады. Егер біз A-ны осы негізде жазсақ, ол диагональды болады; бірақ диагональды ортогональды матрицаның диагональдық элементтері тек +1 және -1-ден тұрады. Демек, бұл нақты айналу емес, идентификация немесе шағылысулар тізбегінің нәтижесі. Осыдан кейін, нақты айналудың кешенді өзіндік мәні болуы керек. v сәйкес келетін өзіндік вектор болсын. Содан кейін, бұрынғы тақырыпта көрсеткеніміздей, сонымен қатар өзіндік вектор болып табылады, ал және олардың скалярлық көбейтіндісі нөлге тең: өйткені, нақты болғандықтан, ол өзінің кешенді түйіндесіне тең , ал және екеуі де арасындағы скалярлық көбейтіндінің бірдей бейнелемесі болып табылады және . Бұл дегеніміз, және ортогональды векторлар. Сонымен қатар, олар екеуі де құрылысы бойынша нақты векторлар. Бұл векторлар A қолданылғанда инвариантты кеңістік болатын және сияқты кеңістікті жабады. Сондықтан олар инвариантты жазықтықты жабады. Бұл жазықтық A-ның қалған өзіндік векторына сәйкес келетін инвариантты оське ортогональды, өйткені A-ның өзіндік векторларының ортогональдылығы, оның өзіндік мәні 1.
because, since is real, it equals its complex conjugate , and and are both representations of the same scalar product between and
This means and are orthogonal vectors. Also, they are both real vectors by construction. These vectors span the same subspace as and , which is an invariant subspace under the application of A. Therefore, they span an invariant plane. This plane is orthogonal to the invariant axis, which corresponds to the remaining eigenvector of A, with eigenvalue 1, because of the orthogonality of the eigenvectors of A.
Жоғары өлшемдер
Өлшемдер артқан сайын айналу векторларының саны да артады. Төрт өлшемді кеңістікте (гиперкөлемде) айналу x, y, z және w осьтері бойынша жүзеге асады. W осьі бойынша айналған объекті әртүрлі көлемдермен қиылысады, мұндағы әр қиылыс бұрыштағы жеке-дара көлемге тең болады. Бұл 4D гиперкөлемде айналудың жаңа осьін тудырады, онда 3D объектіні z осьіне перпендикуляр айналдыру мүмкін.
Физика
Оралу жылдамдығы бұрыштық жиілікпен (рад/с) немесе жиілікпен (уақыт бірлігінде айналымдар) немесе периодпен (секундтар, күндер және т.б.) сипатталады. Бұрыштық жиіліктің уақыт бойынша өзгеру жылдамдығы бұрыштық үдеу (рад/с²) болып табылады, ол момент күшінің әсерінен туындайды. Момент күшіне бұрыштық үдеудің қатынасы инерция моментымен анықталады. Бұрыштық жылдамдық векторы (осьтік вектор) айналу осьінің бағытын да көрсетеді. Сол сияқты, момент күші де осьтік вектор болып табылады. Белгілі бір ось маңындағы айналу физикасы айналудың ось-бұрыш түрінде математикалық тұрғыдан сипатталады. Оң қол ережесіне сәйкес, бақылаушыдан алысқа қарайтын бағыт сағат тілі бойынша айналуды, ал бақылаушыға қарайтын бағыт – сағат тіліне қарсы айналуды білдіреді, бұл бұранда сияқты.
Дөңгелек қозғалысы
Объектілердің бағытын өзгертпей, мерзімді дөңгелек траекторияларға ие болуы мүмкін. Мұндай қозғалыстар айналудың орнына дөңгелек қозғалыс ретінде қарастырылады, дәлірек айтқанда, қисықсызықты аударма ретінде. Аударма – бұл қатты дененің бағытын сақтай отырып орын ауыстыруы, сондықтан қисықсызықты аударма жағдайында барлық нүктелердің бір мезгілдегі жылдамдығы бірдей болады, ал салыстырмалы қозғалыс тек айналумен байланысты қозғалыстарда ғана байқалады. Айналу кезінде объектінің бағыты өзгереді және бағыттың өзгеруі уақыт өте келе тұрақты салыстырмалы бағытқа ие бақылаушыларға тәуелсіз болады. Эйлер теоремасы бойынша, бағыттың кез келген өзгеруін таңдалған эталондық нүкте арқылы өтетін осьтің айналуы арқылы сипаттауға болады. Көбінесе, Шаслз теоремасына сәйкес, қатты дененің кез келген қозғалысын айналу мен аударманың қосындысы ретінде қарастыруға болады, бұл жалпы жазықтық қозғалыс деп аталады. Астрономияда айналу – кең таралған құбылыс; ол өздігінен айналуды (спин) және орбиталық айналымды қамтиды.
Айналу
Жұлдыздар, планеталар және осыған ұқсас денелер өз өсінде айналуы мүмкін. Күн жүйесіндегі планеталардың айналу жылдамдығы алғаш рет көзге көрінетін ерекшеліктерді қадағалау арқылы өлшенді. Жұлдыздың айналуы Доплер эффектісі арқылы немесе белсенді беттік ерекшеліктерді қадағалау арқылы өлшенеді. Мысалы, күн дақтары, Күннің құрамына кіретін сыртқы газдардың жылдамдығымен бірдей жылдамдықпен Күннің айналасында айналады. Кейбір жағдайларда, айналып жүретін денелер өздерінің айналуын үлкен денелердің айналасындағы орбиталық айналысына сәйкес етіп бекіте алады. Бұл құбылыс құлыптау деп аталады; Ай Жерге құлыпталып отырады. Бұл айналу Жердің координат жүйесінде центробектік үдеуді тудырады, ол экваторға жақындаған сайын гравитацияның әсеріне сәл қарсы тұрады. Жердің гравитациясы екі массалық эффектіні біріктіреді, сондықтан экватордағы дененің салмағы полюстерге қарағанда сәл жеңіл болады. Тағы бір қызығы, уақыт өте келе Жер сәл деформацияланып, жалпақ сфераға айналады; басқа планеталарда да осындай экваторлық дөңгелек пайда болады. Планетаның айналуының тағы бір салдары – прецессия және нутация құбылыстары. Гироскоп сияқты, жалпы эффект планета осінің қозғалысындағы шағын "тербеліс" болып табылады. Қазіргі уақытта Жер осінің орбиталық жазықтыққа (эклиптиканың еңістігі) бұрылуы 23,44 градусқа тең, бірақ бұл бұрыш баяу өзгеріп отырады (мыңдаған жылдар бойы). (Сондай-ақ, Күн мен түннің теңелуінің прецессиясы және Поляр жұлдызы туралы да қараңыз).
Революция
Революция көбінесе айналудың синонимі ретінде қолданылса да, көптеген салаларда, әсіресе астрономия және оған қатысты салаларда, революция – көбінесе орбиталық революция деп аталады – бір дене екіншісінің айналасында қозғалғанда қолданылады, ал айналу осі маңындағы қозғалыс айналу деп аталады. Айлар өз планеталарының, планеталар өз жұлдыздарының (мысалы, Жер Күннің айналасында) айналасында айналады, ал жұлдыздар өздерінің галактикалық орталықтарының айналасында баяу айналады. Галактикалардың құрамдас бөліктерінің қозғалысы күрделі, бірақ көбінесе оған айналу компоненті кіреді.
Ретроградтық айналу
Күн жүйесіндегі планеталардың көпшілігі, Жерді қоса алғанда, Күнді айнала кезінде бір бағытта айналады. Ерекшеліктері – Венера мен Уран. Венераның баяу қарсы бағытта айналуы мүмкін (немесе "қалпынан кері" деп есептелуі мүмкін). Уран өзінің орбитасына қатысты дерлік бүйірімен айналады. Қазіргі болжамдар бойынша, Уран бастапқыда қалыпты проградтық бағытта болған, бірақ тарихының алғашқы кезеңінде болған үлкен соқтығыс салдарынан жанына жығылып қалған. Ал Плутон (бұрын планета саналған) бірнеше ерекшеліктерімен көзге түседі, оның ішінде ол да бүйірімен айналады.
Ұшу динамикасы
Ұшу динамикасында жоғарыда Эйлер бұрыштарымен сипатталған негізгі айналулар биіктік, еңкейіс және бағытталған бұрылыс деп аталады. Авиацияда "ротация" термині көбінесе ұшақтың мұрынын жоғары көтеруіне, әсіресе ұшып көтерілгеннен кейін көтерілуді бастағанда қолданылады. Негізгі айналулар гимбалдар мен джойстиктер сияқты көптеген физикалық жүйелерді модельдеуге ыңғайлы, оларды көзбен елестеу оңай және айналысты сақтаудың ықшам тәсілі болып табылады. Алайда, оларды есептеулерде қолдану қиын, себебі айналыстарды біріктіру сияқты қарапайым операциялар да көп еңбек талап етеді, сондай-ақ белгілі бір айналыстар үшін бұрыштарды бірегей анықтау мүмкін емес болатын гимбал құлыптануы деген мәселе туындайды.
Көңіл көтеру
Көптеген ойын-сауық аттракциондары айналуды қамтамасыз етеді. Феррис дөңгелегінің көлденең орталық осі және әр гондола үшін параллель осьтері болады, онда айналу гравитация күшімен немесе механикалық түрде қарама-қарсы бағытта жүзеге асады. Нәтижесінде, кез келген уақытта гондоланың орналасуы тік (бұрылмаған) күйде болады, тек қана жылжу орын алады. Жылжу векторының ұшы шеңберді сипаттайды. Карусель тік ось маңында айналуды қамтамасыз етеді. Көптеген аттракциондар бірнеше ось маңында айналудың комбинациясын ұсынады. "О-жазықтықтағы креслолар" аттракционында тік ось маңындағы айналу механикалық түрде жүзеге асырылады, ал көлденең ось маңындағы айналу центростремителiк күштің әсерінен туындайды. Роллеркостерлердегі инверсияларда көлденең ось маңындағы айналу бір немесе бірнеше толық циклды құрайды, мұнда инерция адамдарды өз орындарында ұстап тұрады.
Спорт
Топтың немесе басқа да заттың айналуы, көбінесе спин деп аталады, көптеген спорт түрлерінде маңызды рөл атқарады, соның ішінде теннистегі топспин және бэкспин, бильярд пен пулдегі ағылшын тіліндегі соққы, бейсболдағы қисық доптар, крикеттегі спин боулинг, фрисби спорты және т.б. Үстел теннисі ракеткалары әртүрлі беттік қасиеттермен жасалады, бұл ойыншыға допқа көбірек немесе аздап айналу беруге мүмкіндік береді. Ойыншының тік ось бойынша бір немесе бірнеше рет айналуы фигуралы коньки тебуде спин, бутамен айналуда (бутаның немесе орындаушының) айналу, немесе 360, 540, 720 және т.б. деп аталуы мүмкін, мысалы, сноубордта. Ойыншының немесе орындаушының көлденең ось бойынша бір немесе бірнеше рет айналуы флип, ролл, сомерсальт, гели және т.б. деп аталуы мүмкін, мысалы, гимнастикада, су шаңғысында және басқа да спорт түрлерінде, немесе бір жарым, екі жарым, гейнер (судан кері қарап бастау) және т.б. Су шаңғысының еркін секіруінде тік және көлденең айналудың (артқа 360° бұрылу) комбинациясы мёбиус деп аталады. Ойыншының тік осьте айналуы, әдетте 180 және 360 градус аралығында, айналу қозғалысы деп аталады және алдау немесе қашу маневрі ретінде, немесе допты немесе шайбаны ойнауға, пас беруге немесе қабылдауға тырысу үшін, немесе ойыншыға гол немесе басқа ойыншыларды көруге мүмкіндік беру үшін қолданылады. Бұл көбінесе хоккей, баскетбол, футболдың түрлі нұсқаларында, теннис және т.б. спорт түрлерінде кездеседі.