Правило правой и левой руки в физике: применение в повседневной жизни adblockrecovery.ru

Правила левой и правой руки

Правило правой руки – правило, использующееся для определения вектора магнитной индукции поля.

Данное правило также имеет названия «правило буравчика» и «правило винта», из-за схожести принципа действия. Широко распространено в физике, так как позволяет без применения специальных приборов или вычислений определить важнейшие параметры – угловую скорость, момент сил, момент импульса. В электродинамике данный способ позволяет определить вектор магнитной индукции.

Правило буравчика

Правило буравчика или винта: если ладони правой руки поставить так, чтобы она совпадала с направлением тока в изучаемом проводнике, то поступательное вращение ручки буравчика (большого пальца ладони) укажет непосредственно вектор магнитной индукции.

Иными словами, необходимо правой рукой как будто вкручивать бур или штопор, чтобы определить вектор. Особых сложностей в освоении данного правила нет.

Правило правой руки

Есть ещё одна разновидность данного правила. Чаще всего данный способ называется просто «правилом правой руки».

Оно звучит следующим образом: чтобы определить направление линий индукции создаваемого магнитного поля, необходимо рукой взять проводник так, чтобы оставленный на 90о большой палец показал направление тока, протекающего через него.

Есть аналогичный вариант и для соленоида.

В данном случае следует обхватить прибор так, чтобы пальцы ладони совпадали с направлением тока в витках. Оттопыренный большой палец в данном случае покажет, откуда выходят линии магнитного поля.

Правило правой руки для движущегося проводника

Поможет данное правило и в случае с движущимися в магнитном поле проводниками. Только здесь необходимо действовать несколько по-другому.

Открытая ладонь правой руки должна располагаться так, чтобы силовые линии поля входили в неё перпендикулярно. Вытянутый большой палец должен указывать на направление движения проводника. При таком расположении вытянутые пальцы совпадут с направлением индукционного тока.

Как мы видим, количество ситуаций, когда данное правило реально помогает, достаточно велико.

Первое правило левой руки

Необходимо поставить левую ладонь таким образом, чтобы линии индукции поля входили в неё под прямым углом (перпендикулярно). Четыре вытянутых пальца ладони должны совпадать с направлением электрического тока в проводнике. В этом случае отставленный большой палец левой ладони покажет направление действующей на проводник силы.

На практике данный способ позволяет определить направление, куда начнёт отклоняться проводник с проходящим по нему электрическим током, помещённый между двумя магнитами.

Второе правило левой руки

Есть и другие ситуации, когда можно воспользоваться правилом левой руки. Вчастности для определения сил при движущемся заряде и неподвижном магните.

Другое правило левой руки гласит: Ладонь левой руки следует расположить таким образом, чтобы в неё перпендикулярно входили линии индукции созданного магнитного поля.

Положение четырёх вытянутых пальцев зависит от направления электрического тока (по движению положительно заряженных частиц, либо против отрицательных).

Правило левой руки: что можно определить, воспользовавшись им

Не стоит путать правила левой руки и буравчика – они предназначены для совершенно разных целей. При помощи левой руки можно определить две силы, вернее, их направление. Это:

сила Лоренца;
сила Ампера.

Попробуем разобраться, как это работает.

Применение для силы Ампера

Правило левой руки для силы Ампера: в чём оно заключается

Расположим левую руку вдоль проводника так, чтобы пальцы были направлены в сторону протекания тока. Большой палец будет указывать в сторону вектора силы Ампера, а в направлении руки, между большим и указательным пальцем будет направлен вектор магнитного поля. Это и будет правило левой руки для силы ампера, формула которой выглядит так:

Правило левой руки для силы Лоренца: отличия от предыдущего

Располагаем три пальца левой руки (большой, указательный и средний) так, чтобы они находились под прямым углом друг к другу. Большой палец, направленный в этом случае в сторону, укажет направление силы Лоренца, указательный (направлен вниз) – направление магнитного поля (от северного полюса к южному), а средний, расположенный перпендикулярно в сторону от большого, – направление тока в проводнике.

Применение для силы Лоренца

Формулу расчёта силы Лоренца можно увидеть на рисунке ниже.

Первое задание

Первое задание — рисование. Положите перед ребенком лист бумаги и карандаш (фломастер), предложите ему нарисовать то, что он хочет. Не торопите ребенка. После того как он закончит рисунок, попросите его нарисовать то же самое другой рукой. Часто дети отказываются: «я не умею», «у меня не получится». Можете успокоить малыша: «Я знаю, что трудно нарисовать такой же рисунок правой (левой) рукой, но ты постарайся». Подбодрите его, скажите, что он делает все верно. В этом задании нужно сравнить качество выполнения рисунков. Проследите за тем, чтобы ребенок правильно и удобно держал ручку или карандаш, не напрягался при выполнении задания, правильно сидел. Во всех заданиях, приведенных ниже, ведущей рукой следует считать ту, которая выполняет более активное действие.

Какое правило применить

Слова синонимы: рука, винт, буравчик

Вначале разберем слова-синонимы, многие начали спрашивать себя: если тут повествование должно затрагивать буравчик, почему текст постоянно касается рук. Введем понятие правой тройки, правой системы координат. Итого, 5 слов-синонимов.

Потребовалось выяснить векторное произведение векторов, оказалось: в школе это не проходят. Проясним ситуацию любознательным школьникам.

Декартова система координат

Школьные графики на доске рисуют в декартовой системе координат Х-Y. Горизонтальная ось (положительная часть) направлена вправо – надеемся, вертикальная – указывает вверх. Делаем один шаг, получая правую тройку. Представьте: из начала отсчета в класс смотрит ось Z. Теперь школьники знают определение правой тройки векторов.

В Википедии написано: допустимо брать левые тройки, правые, вычисляя векторное произведение, несогласны. Усманов в этом плане категоричен. С разрешения Александра Евгеньевича приведем точное определение: векторным произведением векторов называют вектор, удовлетворяющий трем условиям:

Модуль произведения равен произведению модулей исходных векторов на синус угла меж ними.
Вектор результата перпендикулярен исходным (вдвоем образуют плоскость).
Тройка векторов (по порядку упоминания контекстом) правая.

Правую тройку знаем. Итак, если ось Х – первый вектор, Y – второй, Z будет результатом. Почему назвали правой тройкой? По-видимому, связано с винтами, буравчиками. Если закручивать воображаемый буравчик по кратчайшей траектории первый вектор-второй вектор, поступательное движение оси режущего инструмента станет происходить в направлении результирующего вектора:

Правило буравчика применяется к произведению двух векторов.
Правило буравчика качественно указывает направление результирующего вектора этого действия. Количественно длина находится выражением, упомянутым (произведение модулей векторов на синус угла меж ними).

Простые приемы запоминания правил буравчика

Люди забывают, что силу Лоренца проще определять правилом буравчика с левосторонней резьбой. Желающий понять принцип действия электрического двигателя должен как дважды два щелкать подобные орешки. В зависимости от конструкции число катушек ротора бывает значительным, либо схема вырождается, становясь беличьей клеткой. Ищущим знания помогает правило Лоренца, описывающее магнитное поле, где движутся медные проводники.

Для запоминания представим физику процесса. Допустим, движется электрон в поле. Применяется правило правой руки для нахождения направления действия силы. Доказано: частица несет отрицательный заряд. Направление действия силы на проводник находится правилом левой руки, вспоминаем: физики совершенно с левых ресурсов взяли, что электрический ток течет в направлении противоположном тому, куда направились электроны. И это неправильно. Поэтому приходится применять правило левой руки.

Не всегда следует идти такими дебрями. Казалось бы, правила больше запутывают, не совсем так. Правило правой руки часто применяется для вычисления угловой скорости, которая является геометрическим произведением ускорения на радиус: V = ω х r. Многим поможет визуальная память:

Вектор радиуса круговой траектории направлен из центра к окружности.
Если вектор ускорения направлен вверх, тело движется против часовой стрелки.

Посмотрите, здесь опять действует правило правой руки: если расположить ладонь так, чтобы вектор ускорения входил перпендикулярно в ладонь, персты вытянуть по направлению радиуса, отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление движения объекта. Достаточно однажды нарисовать на бумаге, запомнив минимум на половину жизни. Картинка действительно простая. Больше на уроке физики не придется ломать голову над простым вопросом – направление вектора углового ускорения.

Аналогичным образом определяется момент силы. Исходит перпендикулярно из оси плеча, совпадает направлением с угловым ускорением на рисунке, описанном выше. Многие спросят: зачем нужно? Почему момент силы не скалярная величина? Зачем направление? В сложных системах непросто проследить взаимодействия. Если много осей, сил, помогает векторное сложение моментов. Можно значительно упростить вычисления.

Примечания

Математические детали общего понятия ориентации базиса, о котором здесь идёт речь — см. в статье Ориентация.

Под определением направления здесь везде имеется в виду выбор одного из двух противоположных направлений (выбор между всего двумя противоположными векторами), то есть сводится к выбору положительного направления.

Это означает, что другие правила могут быть также удобны в любом количестве, но их использование не является необходимым.

Это означает, что при желании можно пользоваться и противоположным правилом, и иногда это может быть даже удобно.

Понятие правого и левого базиса распространяются не только на ортонормированные, но на любые трехмерные базисы (то есть и на косоугольные декартовы координаты тоже), однако мы для простоты ограничимся здесь случаем ортонормированных базисов (прямоугольных декартовых координат с равным масштабом по осям).

Можно проверить, что в целом это действительно так, исходя из элементарного определения векторного произведения: Векторное произведение есть вектор, перпендикулярный обоим векторам-сомножителям, а по величине (длине) равный площади параллелограмма. То же, какой из двух возможных векторов, перпендикулярных двум заданным, выбрать — и есть предмет основного текста, правило, позволяющее это сделать и дополняющее приведённое здесь определение, указано там.

Левая резьба применяется в современной технике только тогда, когда применение правой резьбы привело бы к опасности самопроизвольного развинчивания под влиянием постоянного вращения данной детали в одном направлении — например, левая резьба применяется на левом конце оси велосипедного колеса

Помимо этого, левая резьба применяется в редукторах и баллонах для горючих газов, чтобы исключить подсоединение к кислородному баллону редуктора для горючего газа.

В том числе они могут быть в своих случаях и более удобными, чем общее правило, и даже иногда сформулированы достаточно органично, чтобы особенно легко запоминаться; что, правда, по-видимому, всё же не делает запоминание их всех более лёгким, чем запоминание всего одного общего правила.

Даже если мы имеем дело с достаточно асимметричным (и асимметрично расположенным относительно оси вращения) телом, так что коэффициентом пропорциональности между угловой скоростью и моментом импульса служит тензор инерции, несводимый к численному коэффициенту, и вектор момента импульса тогда вообще говоря не параллелен вектору угловой скорости, тем не менее правило работает в том смысле, что направление указывается приблизительно, но этого достаточно, чтобы сделать выбор между двумя противоположными направлениями.

Строго говоря, при этом сопоставлении есть ещё постоянный коэффициент 2, но в данной теме это не важно, так как речь идет сейчас только о направлении вектора, а не о его величине. Не обязательное требование.. Не обязательное требование.

Не обязательное требование.

Мнемонические правила для отдельных случаев

Линии магнитной индукции

Представленные технологии не обязательны для использования при решении пpaктических задач. Правило правой руки в физике используют в качестве вспомогательного инструмента. Вычисления делают с применением стандартных методик векторной алгебры. Однако достаточно часто требуется ускоренное уточнение направления магнитных линий либо иного параметра. Не всегда нужны сведения о силе токе в амперах, другие точные данные. В подобных ситуациях пригодятся правила буравчика по физике.

Для угловой скорости

Для рассмотрения механических систем часто приходится оперировать с выражениями угловой скорости (w) и перемещения (v). По движению буравчика определяют направление вектора w.

Для момента импульса

Этот же принцип используют для уточнения параметров момента импульса (L), который зависит от общей массы и ее распределения в исследуемом объекте. Однако выяснить направление вектора можно с применением простого правила буравчика.

Для момента сил

По классическому определению вращающий момент (M) равен произведению векторов силы (F) и радиуса (r), который соединяет точки оси вращения и места приложения соответствующего воздействия. Для расчетов применяют сложные вычисления с использованием интегралов и угловых проекций. Движение тела будет соответствовать перемещению буравчика. Подразумевается вращение рукоятки его в сторону соответствующего момента сил.

Магнитостатика и электродинамика

Земля создает мощное поле, защищающее людей от солнечной радиации. Под его воздействием стрелка компаса перемещается в определенное положение. Ток, проходящий через проводник, создает силовое воздействие для вращения двигателя. Обратный алгоритм действий применяют для генерации электроэнергии. Отмеченные процессы можно сформулировать и описать комплексом уравнений. Правило правой руки позволяет определить отдельные параметры в электродинамике без лишних сложностей.

Магнитная индукция

Рассматриваемое явление открыто в начале 19 века. Основные зависимости физических величин определены законом Фарадея:

E = – dФ/dt,

где:

Е – электродвижущая сила;
Ф – магнитный поток, который создается вектором индукции;
t – контрольный временной интервал.

Позднее были определена зависимость ЭДС не только от формы силы внешнего воздействия. Ток появляется и в проводнике, который движется в стабильном магнитном поле. Био-Савар установил векторную зависимость экспериментально. Позднее Лаплас сделал общее определение и уточнил принципы вычислений для перемещающего единичного заряда. Эти постулаты стали основой современной магнитостатики.

В приведенном выражении «минус» перед второй частью объясняется условием противоположной направленности линий соответствующего магнитного потока (закон Лоренца) току в проводнике.

Для упрощенного рассмотрения методики правило буравчика кратко будет обозначаться далее в тексте аббревиатурой «ПБ». Правило левой руки или правой – «ПЛР» или «ППР», соответственно. Иные сокращения для обозначения направлений:

перемещения винта (буравчика) – НДБ;
вращения ручки – НВР;
отставленного на прямой угол большого пальца – НБП;
сложенных других пальцев – НСП.

Условные сокращения

Метод	Соответствие
ПБ
НДБ	току в контрольном проводнике
НВР	вектору (В), созданному пропускаемым током
ППР
НБП	току
НСП	силовым линиям

Для тока в проводнике, движущемся в магнитном поле

Метод определения	Соответствие
ППР
НБП	движению контрольного провода
НСП (прямая ладонь, силовые линии входят перпендикулярно)	индукционного тока

Уравнения Максвелла

В этом случае применяют возможность выражения операции ротора через произведение двух векторов. Для простоты понимания можно представить вращающуюся жидкую среду обладающей определенной угловой скоростью.

Методы определения базовых параметров

Метод	Соответствие
ПБ
НДБ	векторному выражению ротора
НВР	завихрениям поля
ППР
НБП	вектору ротора (потоку, который проходит через контрольный контур)
НСП	завихрениям (индуцируемой электродвижущей силе)

Мнемонические правила для отдельных случаев

Линии магнитной индукции

Представленные технологии не обязательны для использования при решении практических задач. Правило правой руки в физике используют в качестве вспомогательного инструмента. Вычисления делают с применением стандартных методик векторной алгебры. Однако достаточно часто требуется ускоренное уточнение направления магнитных линий либо иного параметра. Не всегда нужны сведения о силе токе в амперах, другие точные данные. В подобных ситуациях пригодятся правила буравчика по физике.