@ 2015.09.20 , 17:00
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用橡皮筋牵引自行车的惊奇物理学

你需要一些力图来帮助你理解入门(或高级)物理课程吗?这里有关于牵引自行车的三个(最后一个令人望而生畏)问题。

问题1:在车把上拉自行车

对于第一种情况,我会从顶部沿着自行车通常骑行方向拉车把。

[-]

这应该很容易,不过试试看你能不能弄清自行车被牵引时将朝哪个方向运动。快速说明一下——因为自行车是静止的,如果它向某个方向加速,它也会向那个方向运动。这些问题其实是关于加速,而不是位移的。

问题2:在前轮顶部拉动

现在我要拿一条巨大的橡皮筋(我将会用它来牵引)并把它固定在前轮顶部。为了便于看清,我在橡皮筋上面画了一个箭头。

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自行车将向哪个方向加速(从而开始移动)?

问题3:在前轮底部拉动

这和问题2一样,不过我是在轮子底部拉动。

[-]

自行车将向哪个方向加速(移动)?

现在你有了三个问题,你应该有三个答案。与周围小伙伴们讨论你的答案,说服他们相信你的答案是正确的。你可能需要画力图来说服他们你的答案是正确的。如果你愿意,你也可以在街头随机问人这个问题。

如果你想用手机向人显示这些问题,这里有一条视频版本:

问题1答案

我就直接回答问题1。这个真的很简单(这不是脑筋急转弯)。

[-]

拉力朝向左边,自行车就向左滚,这里没有啥惊喜(希望如此)。

问题2答案

橡皮筋连在自行车轮顶部,这就会发生。

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力朝左边拉动。这使得前轮沿逆时针方向旋转。车轮旋转和力两者都显示自行车应该向左边滚。自行车向左滚了,每个人都大满足。

问题3答案

这个就是你所等待的。希望你已经和小伙伴们好好讨论过一番——但不要是导致格斗的激烈争辩。你对了吗?他们对了吗?答案在这里。

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如果每个人都回答正确了,那就不好玩了。不过,这仍然是一个很好的问题。但是发生了什么事?它为什么滚到左边去了?好吧,我告诉你要画一个力图(自由体受力图),所以它就是这样的:

[-]

是的,在前轮和地面之间有一个摩擦力,向后推动车轮,使其沿逆时针方向旋转。然而,这个力必须比向前拉自行车的力小。合力朝向左边,因此自行车初始向左边加速。这可能是反直觉的,但你需要训练从整体上思考作用在自行车上的力。对于这个系统来说,垂直方向各力的累加必须等于零(因为它没有向上方或下方加速),并且水平方向的合力是向左。

那如果自行车向右边加速呢?在这种情况下,摩擦力必须大于外部拉力。对于一个静止物体来说这会有点奇怪。这就有点像你朝左推一块板砖,它却向右开始加速。

有可能车轮完全不转动而自行车向左加速吗?如果摩擦系数非常低的话就是可以的,自行车就会在地面上滑动而不滚动,但它仍是沿受力方向加速。

那么,你答错这个问题了吗?不要紧,这个问题很难——最好的问题都是难的。最后,下面是答案的视频版本,然后这里还有一个关于滚动vs滑动更多细节的类似问题

本文译自 Wired,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 26+1

  1. 2937000

    如果地面是光滑的平面情况又不一样了

    [13] XX [23] 回复 [0]
  2. Astraeaheaven
    @2 years ago
    2937006

    回楼上结果是一样的

    [16] XX [4] 回复 [0]
  3. 一个大茄子
    @2 years ago
    2937016

    @3214: 那样的话自行车轮子就会原地打转了吧?

  4. 2937018

    橡皮筋栓在轮子底部的,虽然向后转但还是向前移动了。

  5. 2937034

    很多人都能猜对第三种是向前移动的吧,而且能判断出橡皮筋与车轮的着力点一定是相对于地面向前移动的

  6. 2937037

    摩擦系数小的话前轮应该会滑动摩擦

  7. 啊啊啊啊
    @2 years ago
    2937039

    @3214: 绳子的话就不一样了

  8. 烧了个饼
    @2 years ago
    2937045

    复杂的分析就不说了,说个简单的参考分析方式:
    单车是个整体,这个力是施加在整个单车上的,所以不管是哪个位置,方向都是一样,即受力方向。。。。
    单车内部不做功,也没有任何其他外力,那么单车一定是向受力方向加速,也就是向受力方向前进。。。。
    (除非用一些手段使车受力方向向后,否则应该怎么拉都是往前的)

  9. 嘻嘻
    @2 years ago
    2937047

    还要看轴是不是理想状态呀

  10. 哈哈哈下吧掉了
    @2 years ago
    2937068

    第三个好神奇

  11. Spector
    @2 years ago
    2937078

    额,标题党,我还以为是用橡皮筋弹性驱动自行车的黑科技展示,没想到是个“水滴高空坠落”的钓鱼帖

  12. 小肥龙
    @2 years ago
    2937082

    第三种 看过反应过来 其实是杠杆原理

  13. 黄仁勋
    @2 years ago
    2937086

    分析了一下,这个图解释了
    9d5ftTxXsOYqfqXnlw2cKRWUcRu/LNSD0810i/CvpAV3QNJU5X9zBqhK05UGzdM6ttira2l4AO8JAsKsd3wamUQjDO3W4yEJc8F9KFuZYF/r0ybs21irig

  14. 黄仁勋
    @2 years ago
    2937089

    上面的图显示出:固定力和静摩擦力,比滚动的摩擦力大得多,所以在拉力作用下轮子开始滚动

  15. 哈佛教授
    @2 years ago
    2937136

    说橡皮筋还以为是女生用来扎头发那种东西

  16. 隐身衣
    @2 years ago
    2937155

    想起了害我挂科的噩梦——小滑块

  17. 2937163

    初中物理……

  18. 二是我二
    @2 years ago
    2937184

    这是无用技能吗?

  19. 2937267

    cdbefqBFcJqKK5nQfN91oTmH/uNL7KA1eQc1zzt+B15PElimd7eLwREki2xpIT0/X+XxFqey159kbx0IhbKtB17dGSDGUJulmeqc6/kTGhhHEwdOzkgkmA

    终于明白了,把这个当作一个杠杆来看就行了,“摩擦力”那个点是固定的轴,在“拉力”的作用下,车轮的轴被迫向前行进。

    思路被定死在车轴那里,让我对第三种情况想了好久。

  20. 脑残
    @2 years ago
    2937283

    第三种情况想什么想?难道你拉车轮子车轮子还能把你扥回去?

  21. 为了咿呀
    @2 years ago
    2937318

    如果是没弹性的绳子又不一样了

  22. LowFoot
    @2 years ago
    2937458

    不用这么夸张吧,“惊奇”,“令人望而生畏”,“很难”…为什么连我这个物理学初中水平的人都觉得不难,难道这里面蕴含了一些深奥而神秘莫测的宇宙定理我没有看到?

  23. LowFoot
    @2 years ago
    2937459

    @脑残: “把你托”去掉的话,如果自行车放在泥泞的路上然后你用很小的力量轻轻拉一下放手,这时的车是会回去的

  24. 无敌的人
    @2 years ago
    2937610

    问题不是去哪里找这么大的橡皮筋么

  25. 呵呵呵何蛋黄
    @2 years ago
    2937624

    最简单不是把自行车看做一个整体,那向左的外力就是人拉橡皮筋的力,向右就是地面摩擦力,那么就是应该往左的。
    (多年没碰物理的物理生,有误请指导哈~)

  26. 雪山熊王
    @2 years ago
    2938777

    感觉不用这么复杂,用初中物理的系统理论就可以得出答案,把自行车整体看成一个系统,在施加向左的外力情况下,自行车这个系统是不可能往右走的,要不能量上就不守恒了。

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