角速度方向总是垂直于旋转平面的原因可以从物理定义和数学描述两方面来理解。
首先，角速度是一个描述物体旋转快慢和方向的物理量。在三维空间中，一个物体绕固定轴旋转时，其角速度可以用一个矢量来表示。这个矢量的方向由右手定则确定：将右手的手指弯曲，指向旋转的方向，拇指所指的方向就是角速度的方向。这个定义确保了角速度的方向与旋转平面垂直。
从数学上看，角速度矢量可以表示为旋转矩阵的导数。在欧几里得空间中，旋转矩阵描述了物体从一个坐标系到另一个坐标系的变换。通过对旋转矩阵求导，可以得到角速度矢量。这个矢量的分量可以解释为在各个轴上的角速度分量。由于旋转矩阵的迹（所有对角线元素的和）为零，这意味着角速度矢量必定垂直于旋转平面。
此外，角速度矢量的方向垂直于旋转平面还有助于保持物理定律的简洁和一致性。例如，在经典力学中，角动量守恒定律和角速度的关系可以通过矢量叉积来描述。如果角速度不垂直于旋转平面，这些关系会变得复杂，难以解释。
综上所述，角速度方向总是垂直于旋转平面是由物理定义、数学描述以及物理定律的简洁性共同决定的。这一性质使得角速度矢量成为描述旋转运动的一个有力工具。