Stopnie swobody

Stopień swobody jest to parametr służący do opisu stanu układu fizycznego.

Liczba stopni swobody - jest to najmniejsza liczba niezależnych od siebie zmiennych (parametrów), niezbędnych do opisu stanu układu, najczęściej ruchu ciała.

Przykłady

Oto przykłady wyznaczenia stopni swobody w mechanice:

Ciało fizyczne poruszające się (mogące się poruszać) po prostej ma 1 stopień swobody, gdyż do jego opisu ruchu wystarczy jedna zmienna przestrzenna (x).
Ciało fizyczne poruszające się (mogące się poruszać) po płaszczyźnie ma 2 stopnie swobody, gdyż do jego opisu ruchu wystarczą dwie zmienne przestrzenne (x,y).
Ciało fizyczne poruszające się w przestrzeni ma 3 stopnie swobody, gdyż do jego opisu ruchu należy użyć 3 zmiennych przestrzennych (x,y,z).
Ciało pozostające w bezruchu ma zero stopni swobody.

Rodzaje stopni swobody

Wyróżniamy następujące stopnie swobody:

translacyjne stopnie swobody - określane dla ruchu postępowego;
rotacyjne stopnie swobody - określane dla ruchu obrotowego;
oscylacyjne stopnie swobody - określane dla drgań.

Stopnie swobody w termodynamice

Dla układów termodynamicznych liczbę stopni swobody określa się jako liczbę niezależnych parametrów, które można zmieniać nie powodując zmiany liczby i rodzaju faz układu. Najczęściej są to trzy parametry: ciśnienie (p), temperatura (T) i objętość (V). Są one wzajemnie powiązane (np. równaniem Clapeyrona), dlatego niezależnie mogą zmieniać się tylko dwa spośród tych trzech parametrów. Liczbę stopni swobody w termodynamice można wyznaczyć z reguły faz Gibbsa.

Pytania

Ile stopni swobody ma cząsteczka H₂?

Dwuatomowa cząsteczka ma 3 stopnie swobody translacyjne oraz 2 rotacyjne. Jeżeli do opisu tej cząsteczki założymy, że odległość między atomami może się zmniejszać, musimy uwzględnić jeden stopień swobody oscylacyjny.

Ile stopni swobody ma bryła sztywna?

Bryła sztywna ma sześć stopni swobody: 3 translacyjne i trzy rotacyjne.