【問題】平面的轉動


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在日常生活中的觀察,不管什麼物體在表面移動一段時間之後,速度都會減慢

如果不是在轉動的狀況下,我們認為這個原因是摩差力

那假如轉動的狀況下

1.

假如物體的轉速先減小

那摩差力指的方向為物體的移動相反的方向

會增加轉速,又會同時做負功

這樣物體又會取得另外一個平衡,並且持續下去

2.

假如物體的質心速度先減小

那摩差力指的方向和物體移動的方向同向

會減少轉速,又會做正功

這樣物體再次取得平衡,而且持續下去

這兩種狀況的結論都相同,但都和我們所觀察到的世界不同

因為物體不會持續下去

我是不是有哪裡推論錯誤了???

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因為你沒有考慮到"形變"的影響

我舉一個明顯一點的例子

像是輪胎

輪胎壓在地面上時

是不是胎面與地面接觸的那一塊區域都會略微凹陷?

這個凹陷的情形就是我講的"形變"

然後

輪胎往前滾動之後

胎面原本凹陷的區域就會恢復原狀

換胎面的其他區域凹陷下去 (也就是輪胎往前滾動之後, 與地面接觸的那個區域凹下去)

這個凹陷, 再恢復原狀,凹陷, 再恢復原狀,凹陷, 再恢復原狀的過程之中

能量會損耗

所以輪胎會越滾越慢

想想看

一個沒充飽氣的輪胎

凹陷的程度越多

能量的耗損也越快

所以它滾不了多遠就停了

充飽氣的輪胎就可以滾的比較遠

這是我個人的解釋

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在日常生活中的觀察,不管什麼物體在表面移動一段時間之後,速度都會減慢

如果不是在轉動的狀況下,我們認為這個原因是摩差力

那假如轉動的狀況下

1.

假如物體的轉速先減小

那摩差力指的方向為物體的移動相反的方向

會增加轉速,又會同時做負功

這樣物體又會取得另外一個平衡,並且持續下去

2.

假如物體的質心速度先減小

那摩差力指的方向和物體移動的方向同向

會減少轉速,又會做正功

這樣物體再次取得平衡,而且持續下去

這兩種狀況的結論都相同,但都和我們所觀察到的世界不同

因為物體不會持續下去

我是不是有哪裡推論錯誤了???

有點小錯誤,對於一個剛體,質心速度改變和轉動速度改變是永遠同時發生的v = w * r。(v=速度,r=半徑,w=轉動角速度)

假如這點不成立,表示這個物體會扭曲然後改變形狀,也就不是剛體,問題就會變的很複雜。

不過這個問題的重點是,一物體運動狀態包含滾動和滑動,在解一些題目的時候,通常會假設物體只有滾動沒有滑動,不過這個條件在現實情況上通常不會成立。

假設純滾動沒滑動的情況下,是一個球在滾,質心速度v,作個圖可以發現,這個球上每點速度是不一樣的。以地板為座標系,球最上面那點的速度會是v+v=2v,與地面那點接觸的速度會是V=v-v=0,假設摩擦力是F,則作的功率是 F*V=F*0=0,所以在純滾動情形下摩擦力不做功不影響動能,所以球會永遠滾下去。

但事實上物體通常還會有滑動,所以與地面接觸那點的v應該>0,而動摩擦力方向與速度方向相反,因此功率=-F*v,使動能下降,則轉動速度和移動速度都會下降。

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有點小錯誤,對於一個剛體,質心速度改變和轉動速度改變是永遠同時發生的v = w * r。(v=速度,r=半徑,w=轉動角速度)

假如這點不成立,表示這個物體會扭曲然後改變形狀,也就不是剛體,問題就會變的很複雜。

不過這個問題的重點是,一物體運動狀態包含滾動和滑動,在解一些題目的時候,通常會假設物體只有滾動沒有滑動,不過這個條件在現實情況上通常不會成立。

假設純滾動沒滑動的情況下,是一個球在滾,質心速度v,作個圖可以發現,這個球上每點速度是不一樣的。以地板為座標系,球最上面那點的速度會是v+v=2v,與地面那點接觸的速度會是V=v-v=0,假設摩擦力是F,則作的功率是 F*V=F*0=0,所以在純滾動情形下摩擦力不做功不影響動能,所以球會永遠滾下去。

但事實上物體通常還會有滑動,所以與地面接觸那點的v應該>0,而動摩擦力方向與速度方向相反,因此功率=-F*v,使動能下降,則轉動速度和移動速度都會下降。

〈v=速度、x=轉動的角度《徑度量》、d=質心位移、f=摩差力〉

那假如我有一個球體以2v的速度往右移動

而球和地板接觸部分地那個點也是以v往右移動

換句話說球和地板接觸的那一點對於地板的相對速度就是3v

這時的摩差力為動摩差利而且會做功,其做功的方向為速度的相反方向

假如在這些條件之下,我的球質心移動d,而球轉動x弧度之後變成純滾動

那我摩差力做功應該是f*d還是f*r*x?為什麼?

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〈v=速度、x=轉動的角度《徑度量》、d=質心位移、f=摩差力〉

那假如我有一個球體以2v的速度往右移動

而球和地板接觸部分地那個點也是以v往右移動

換句話說球和地板接觸的那一點對於地板的相對速度就是3v

這時的摩差力為動摩差利而且會做功,其做功的方向為速度的相反方向

假如在這些條件之下,我的球質心移動d,而球轉動x弧度之後變成純滾動

那我摩差力做功應該是f*d還是f*r*x?為什麼?

物體的運動可以分解成轉動和平移兩部份

因此我們分別考慮兩種狀況中磨擦力的作功

另外要先注意作功的定義是,受力的那點所受的力 * 那點在受力時的移動距離,因此重點必定是跟地面接觸時受摩擦力那點的位移,其他點的位移不會直接影響。

第一種是純平移完全沒轉動

很顯然W = f * d,因為假設物體是剛體,與地面接觸那點所移動的d必定與質心移動的d相同

第二種狀況是純轉動沒任何平移,也就是物體在原地打滾沒有任何位移

(注意這邊指的是平移不是滑動)

物體以w的角速度轉動,而質心沒平移所以速度為0,

所以顯然與地面接觸那點的位移是w*r*t,所以作功W= f * a * r,a為轉動的弧度

所以對任意包含平移和轉動的物體,摩擦力作的功為兩種的合,也就是

W = f * ( d + a * r)

而在一般純滾動無滑動的情況,包含一個條件為,d = -a * r 也就是轉動的周長=-平移距離,代入這個條件則會發現W = 0 。而你提到的狀況也可以代入同一個式子,只是要小心轉動的正負號要定好,不要和移動方向矛盾。

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物體的運動可以分解成轉動和平移兩部份

因此我們分別考慮兩種狀況中磨擦力的作功

另外要先注意作功的定義是,受力的那點所受的力 * 那點在受力時的移動距離,因此重點必定是跟地面接觸時受摩擦力那點的位移,其他點的位移不會直接影響。

第一種是純平移完全沒轉動

很顯然W = f * d,因為假設物體是剛體,與地面接觸那點所移動的d必定與質心移動的d相同

第二種狀況是純轉動沒任何平移,也就是物體在原地打滾沒有任何位移

(注意這邊指的是平移不是滑動)

物體以w的角速度轉動,而質心沒平移所以速度為0,

所以顯然與地面接觸那點的位移是w*r*t,所以作功W= f * a * r,a為轉動的弧度

所以對任意包含平移和轉動的物體,摩擦力作的功為兩種的合,也就是

W = f * ( d + a * r)

而在一般純滾動無滑動的情況,包含一個條件為,d = -a * r 也就是轉動的周長=-平移距離,代入這個條件則會發現W = 0 。而你提到的狀況也可以代入同一個式子,只是要小心轉動的正負號要定好,不要和移動方向矛盾。

如果題目的數值都沒有改變

而狀況變成是一個球的質心往右方移動

同時球的以逆時鐘的方式選轉

那我作功應該用哪一種呢?

這不是個很好解決的問題

光是空氣阻力的F就很難弄出來...

要考慮亂流甚至混沌效應...

空氣阻力的F應該可以用後翼力〈好像是這樣打〉的公式

至於考慮亂流因該是考慮到柏努力方程式和旋流的壓力差

不知道有沒有想錯:s

但要考慮這些就太麻煩了

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