@ 2015.09.20 , 17:00

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。

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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。

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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)。

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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:

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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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