物理中圓周運(yùn)動(dòng)的多解性問題
質(zhì)點(diǎn)在以某點(diǎn)為圓心半徑為r的圓周上運(yùn)動(dòng),即質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)其軌跡是圓周的運(yùn)動(dòng)叫“圓周運(yùn)動(dòng)”。它是一種最常見的曲線運(yùn)動(dòng)。例如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、車輪、皮帶輪等都作圓周運(yùn)動(dòng)。圓周運(yùn)動(dòng)分為,勻速圓周運(yùn)動(dòng)和變速圓周運(yùn)動(dòng)(如:豎直平面內(nèi)繩/桿轉(zhuǎn)動(dòng)小球、豎直平面內(nèi)的圓錐擺運(yùn)動(dòng))。在圓周運(yùn)動(dòng)中,最常見和最簡(jiǎn)單的是勻速圓周運(yùn)動(dòng)(因?yàn)樗俣仁鞘噶?,所以勻速圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是指勻速率圓周運(yùn)動(dòng))。
在物理學(xué)中,圓周運(yùn)動(dòng)(circular motion)是在圓上轉(zhuǎn)圈:一個(gè)圓形路徑或軌跡。當(dāng)考慮一件物體的圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),物體的體積大小可以被忽略,并將其看成一質(zhì)點(diǎn)(在空氣動(dòng)力學(xué)上除外)。
圓周運(yùn)動(dòng)的例子有:一個(gè)人造衛(wèi)星跟隨其軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)、用繩子連接著一塊石頭并轉(zhuǎn)圈揮動(dòng)、一架賽車在賽道上轉(zhuǎn)彎、一粒電子垂直地進(jìn)入一個(gè)平均磁場(chǎng)、一個(gè)齒輪在機(jī)器中的轉(zhuǎn)動(dòng)(其表面和內(nèi)部任一點(diǎn))、皮帶傳動(dòng)裝置、火車的車輪及拐彎處軌道。
圓周運(yùn)動(dòng)以向心力(centripetal force)提供運(yùn)動(dòng)物體所需的加速度。這向心力把運(yùn)動(dòng)物體拉向圓形軌跡的中心點(diǎn)。若果沒有向心力,物體會(huì)跟隨牛頓第一定律慣性地進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。即使物體速率不變,物體的速度方向也在不停地改變。即勻速圓周運(yùn)動(dòng)中,線速度改變(方向),而角速度不變。
火車過彎道:實(shí)際做圓周運(yùn)動(dòng) ,設(shè)計(jì)成外軌比內(nèi)軌稍高,具有向心加速度。
勻速圓周運(yùn)動(dòng)與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的關(guān)系
汽車過拱形橋:也可看作圓周運(yùn)動(dòng),橋?qū)嚨闹С至?,又因?yàn)槠噷?duì)橋的壓力和橋?qū)ζ嚨闹С至κ且粚?duì)作用力和反作用力,大小相等,所以壓力大小也相等。
汽車過凹形橋:也可看作圓周運(yùn)動(dòng),橋?qū)嚨闹С至?,因?yàn)槠噷?duì)橋的壓力和橋?qū)ζ嚨闹С至κ且粚?duì)作用力和反作用力,所以壓力大小也相等。
航天器中的失重現(xiàn)象:有人把航天器失重的原因說成是它離地球太遠(yuǎn),從而擺脫了地球引力,這是錯(cuò)誤的。正是由于地球引力的存在,才使航天器連同其他的乘員有可能做環(huán)繞地球的圓周運(yùn)動(dòng)。這里的分析僅僅針對(duì)圓軌道而言。其實(shí)任何關(guān)閉了發(fā)動(dòng)機(jī),又不受阻力的飛行器的內(nèi)部,都是一個(gè)完全失重的環(huán)境。例如向空中任何方向拋出的容器,其中的所有物體都處于失重狀態(tài)。
游樂場(chǎng)的摩天輪
離心運(yùn)動(dòng):做圓周運(yùn)動(dòng)的物體,由于慣性,總有沿著切線方向飛去的傾向。但它沒有飛去,這是因?yàn)橄蛐牧υ?ldquo;拉著”它,使它與圓心的距離保持不變。一旦受力突然消失,物體就沿切線方向飛去。除了向心力突然消失這種情況,在合力不足以提供所需的向心力時(shí),物體雖然不會(huì)沿切線飛去,也會(huì)逐漸遠(yuǎn)離圓心,稱為離心運(yùn)動(dòng)。
物理中圓周運(yùn)動(dòng)的多解性問題
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