运动的车轮为什么上部快下部慢?

运动的车轮为什么上部快下部慢?

首页休闲益智车轮运行更新时间:2024-08-01

我们把一张彩色纸片贴在自行车(或者手车)的车轮上,然后就能在自行车行动时观察到这样一个奇怪的现象;当纸片转到与车轮地面接触的那一段时,可以很清晰地辨别纸片的移动;然而,当它转动到车轮上端时,却迅速地一闪而过,你根本就无法看清楚。

这样来看,似乎车轮的下半部比上半部转动得更慢一些。这种情形几乎随处可见,随便看一下路边行驶的自行车,你就会发现车轮上半部分的轮辐几乎都连成一片,而下半部却根根分明。这又让人肯定了之前的假想,好像车轮下半部的确比上半部旋转得更慢一些。

那么,该如何解释这个奇怪的现象呢?其实道理很简单,之前的假想实际上就是事实——车轮的下半部的确比上半部转动得慢。初看似乎不好理解,但是,只要你将上一节的内容联系起来,就会明白这个道理:车轮上的每一点实际上都在进行着两种运动——绕轴自转,以及与轴同时前进。这就与地球相似,我们应该将两种运动加起来看,就能得出车轮上半部分与下半部分速度不同的结果。车轮上半部的前进运动要加上它的旋转运动,因为这两种运动的方向是一致的;下半部则要从前进运动中减去自转运动,因为两者旋转方向相反。这也就是我们看到车轮下部比上部转动得更慢的原因。

我们可以用一个简单的实验(图1)来证实这一点。将一根木棒竖直插在车轮旁边,使车轮轴心与木棒重合,然后,在木棒上标记出轮缘最上端和最下端的两个顶点。现在,轻轻滚动车轮,让轮轴离开木棒一点儿,观察A点和B点各自移动的距离长短——很明显,A点比B点移动的距离更大。

图1 证明车轮的下半部比上半部移动得更慢,请比较移动后的车轮上A点与B点与直立的木棒之间的距离长短(右图)。

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