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高中物理/旋轉運動

來自華夏公益教科書,開放的書籍,開放的世界

在一個經典的初級物理演示中,講師站在一個可旋轉的平臺上,伸直手臂,握著一個旋轉的腳踏車輪。車輪是垂直的,講師站著不動。然後,講師將車輪傾斜到水平方向。這會導致講師在平臺上緩慢旋轉起來。將車輪恢復到垂直方向並將其傾斜到另一側,使講師朝另一個方向旋轉。為什麼呢?

想象一下,車輪是一個由許多微小粒子組成的集合。粒子想要沿著直線運動。為了讓它們以圓周運動,必須有一個力將粒子加速到圓心的方向(加速度是速度或方向或兩者都發生變化 - 在這種情況下,只是方向)。這個力最終是由車輪和輻條中原子之間的鍵提供的。

當講師將旋轉的車輪從垂直方向轉到水平方向時會發生什麼?考慮車輪上的一個粒子。如果車輪沒有被傾斜,它會像往常一樣圍繞圓周加速。但是由於車輪被傾斜,它現在必須沿著一條新的路徑運動。路徑的變化是一種加速度,反過來需要力(來自講師的手,透過輻條傳遞到輪輞)。現在考慮車輪上與第一個粒子相對的粒子。它也必須改變路徑,但方向相反。由於相反側的力方向相反,結果是扭矩。車輪上每對相對粒子都會對導致講師在平臺上旋轉的扭矩做出貢獻。更遠的粒子相對於教授有更長的槓桿臂,因此合扭矩不為零。(扭矩 = 力 * 槓桿臂)

將車輪傾斜到另一個方向會在相反的方向產生扭矩,從而減緩講師的旋轉速度並最終使其反轉。

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