從溜溜球看物理實驗——麥克斯韋滾擺分析

2021-02-21 西祠熊貓實驗室

這是熊貓滾滾趣味科普小課堂第 十五 

時間如流水,《火力少年王》這部劇已經播出14年了,這是一部以溜溜球為主題的青春熱血劇。以當時中國的電視製作水平,劇中的各種特效簡直可以用一個「迷」字來形容了,但是再怎麼誇張的特效和炫目的招式,也仍然抵擋不住當時這部劇的火熱。

可以說當時的大部分90後小朋友手上都會有一個名叫:溜溜球的玩具。一到學校課間就開始展示自己的溜溜球技術!晚上在家寫完作業就迫不及待的看動畫片《火力少年王》。

這份簡單的對溜溜球的熱愛,對友誼的珍視,就如同曾經那個愛不釋手,現在卻收藏起來了的溜溜球一樣,你還記得它帶給你的美好時光嗎?

你還記得你兒時夥伴現在在哪裡嗎?讓我們一起學習一下溜溜球裡科學原理吧!

如圖所示,傳統的溜溜球中單股繩直接系在輪軸上,將溜溜球的輪軸和輪盤看作一個剛體,在溜溜球被向下甩出的過程中,在重力和人給予的初始衝量的作用下向下運動,同時由於重力和繩子對其的力矩作用開始轉動,重動勢能逐漸轉換成平動動能和轉動動能,隨著重動勢能的減少,下落的速度越來越快轉動的速度也越來越快。當細繩全部展開後,下落速度和轉動速度達到最大值這時原來的重力勢能完全轉化為平動動能和轉動動能。

看到溜溜球總會讓我想到一個典型的物理模型



麥克斯韋滾擺:

演示重力勢能與動能的相互轉化過程中

機械能的總量保持不變。

麥克斯韋滾擺特點:

   1.單擺運動過程中,高度越低,速度越大,與此對應的重力勢能越小,動能越大。反之,高度越高,速度越小,相應的重力勢能越大,動能越小。

   2.麥克斯韋滾擺下降時,高度越低,重力勢能越小,轉動速度越大,轉動動能越大;滾擺上升時,高度越高,重力勢能越大,轉動速度越小,轉動動能越小。

   3. 在單擺和滾擺的運動中,當高度降低時,物體的重力勢能減小,動能增大,即重力勢能轉化為動能;反之,當高度增大時,物體的動能減小重力勢能增大,動能轉化為重力勢能。

麥克斯韋滾擺原理:

    當捻動滾擺的軸,使滾擺上升到頂點時,儲蓄一定的勢能。當滾擺被鬆開,開始旋轉下降,滾擺勢能隨之逐漸減小,而動能(平動動能和轉動動能)逐漸增加。當懸線完全鬆開,滾擺不再下降時,轉動角速度與下降平動速度達到最大值,動能最大。由於滾擺仍繼續旋轉,它又開始纏繞懸線使滾擺上升。在滾擺上升的過程中動能逐漸減小,勢能卻逐漸增加,上升到跟原來差不多的高度時,動能為零,而勢能最大。如果沒有任何阻力,滾擺每次上升的高度都相同,說明滾擺的勢能和動能在相互轉化過程中,機械能的總量保持不變。

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