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高中物理/旋转运动

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在一个经典的初级物理演示中,讲师站在一个可旋转的平台上,伸直手臂,握着一个旋转的自行车轮。车轮是垂直的,讲师站着不动。然后,讲师将车轮倾斜到水平方向。这会导致讲师在平台上缓慢旋转起来。将车轮恢复到垂直方向并将其倾斜到另一侧,使讲师朝另一个方向旋转。为什么呢?

想象一下,车轮是一个由许多微小粒子组成的集合。粒子想要沿着直线运动。为了让它们以圆周运动,必须有一个力将粒子加速到圆心的方向(加速度是速度或方向或两者都发生变化 - 在这种情况下,只是方向)。这个力最终是由车轮和辐条中原子之间的键提供的。

当讲师将旋转的车轮从垂直方向转到水平方向时会发生什么?考虑车轮上的一个粒子。如果车轮没有被倾斜,它会像往常一样围绕圆周加速。但是由于车轮被倾斜,它现在必须沿着一条新的路径运动。路径的变化是一种加速度,反过来需要力(来自讲师的手,通过辐条传递到轮辋)。现在考虑车轮上与第一个粒子相对的粒子。它也必须改变路径,但方向相反。由于相反侧的力方向相反,结果是扭矩。车轮上每对相对粒子都会对导致讲师在平台上旋转的扭矩做出贡献。更远的粒子相对于教授有更长的杠杆臂,因此合扭矩不为零。(扭矩 = 力 * 杠杆臂)

将车轮倾斜到另一个方向会在相反的方向产生扭矩,从而减缓讲师的旋转速度并最终使其反转。

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