现在,就让我来告诉大家,如何科学地荡秋千。
首先,我们可以将人简化为一个质点,但这个质点有一个神奇的特点,那就是它可以通过腿的伸缩来改变自己的重心位置。在同一点,当人收腿时重心高,伸腿时重心低,这个大家应该都能理解。
然后,根据我们儿时荡秋千的经验,一开始我们都是腿蹬着地面将自己抬高的对不对?大概相当于这样:
这在物理中被称为初态,就是这个运动过程开始时的状态。
那么此时,我们应该伸腿荡还是缩腿荡呢?我们来分析一下。
从图中可以很清晰地看出,伸腿荡时重心的下落高度 Δh2 明显大于缩腿荡时的下落高度 Δh1 ,所以为了使得荡到最低点时人的动能最大也就是此时的速度最大,明显应该伸腿荡。
接着,当人荡到最低点时,人所受到的力无非是重力和秋千对人的支持力,而这些力都通过秋千上方的那个横杆,这时,就会有一个角动量守恒来起作用。就是说,如果你在此时缩腿,那么你的重心就会升高,离横杆的距离就会缩短,根据角动量守恒,你的速度与离横杆的距离成反比,你的速度也会增加。
或者如果你物理比较好,我们也可以这样来说:取原点位于横杆的转动参考系,其转动角速度与人相对于杆的转动角速度相等。此时,人还会受到惯性离心力以及科里奥利力。其中惯性离心力沿径向,对横向速度没有贡献,而科里奥利力 Fc→=2mv→×ω→ ,当人缩腿时,重心会有一个沿径向向里的速度,与 ω→ 叉乘,得到的科里奥利力方向沿横向,使得横向速度增加。
也就是说,无论是直接使用我们小学二年级就学过的角动量守恒,还是使用我们小学二年级也学过的非惯性极坐标系下的动力学方程,我们都可以得到横向速度增加这一结论。
所以此时要不要收腿呢?
为了使得人能够越荡越高,他当然应该收腿,因为这样他的动能就会增加,根据机械能守恒,能荡到的最高点就会变高。然后他就回到了类似初态的状态,但是高度却增加了,其能量来自于收腿时所做的功。
整个过程如下图所示:
如果要定量计算也很好算,我就不为难大家的脑细胞了。
首先,我们可以将人简化为一个质点,但这个质点有一个神奇的特点,那就是它可以通过腿的伸缩来改变自己的重心位置。在同一点,当人收腿时重心高,伸腿时重心低,这个大家应该都能理解。
然后,根据我们儿时荡秋千的经验,一开始我们都是腿蹬着地面将自己抬高的对不对?大概相当于这样:
这在物理中被称为初态,就是这个运动过程开始时的状态。
那么此时,我们应该伸腿荡还是缩腿荡呢?我们来分析一下。
从图中可以很清晰地看出,伸腿荡时重心的下落高度 Δh2 明显大于缩腿荡时的下落高度 Δh1 ,所以为了使得荡到最低点时人的动能最大也就是此时的速度最大,明显应该伸腿荡。
接着,当人荡到最低点时,人所受到的力无非是重力和秋千对人的支持力,而这些力都通过秋千上方的那个横杆,这时,就会有一个角动量守恒来起作用。就是说,如果你在此时缩腿,那么你的重心就会升高,离横杆的距离就会缩短,根据角动量守恒,你的速度与离横杆的距离成反比,你的速度也会增加。
或者如果你物理比较好,我们也可以这样来说:取原点位于横杆的转动参考系,其转动角速度与人相对于杆的转动角速度相等。此时,人还会受到惯性离心力以及科里奥利力。其中惯性离心力沿径向,对横向速度没有贡献,而科里奥利力 Fc→=2mv→×ω→ ,当人缩腿时,重心会有一个沿径向向里的速度,与 ω→ 叉乘,得到的科里奥利力方向沿横向,使得横向速度增加。
也就是说,无论是直接使用我们小学二年级就学过的角动量守恒,还是使用我们小学二年级也学过的非惯性极坐标系下的动力学方程,我们都可以得到横向速度增加这一结论。
所以此时要不要收腿呢?
为了使得人能够越荡越高,他当然应该收腿,因为这样他的动能就会增加,根据机械能守恒,能荡到的最高点就会变高。然后他就回到了类似初态的状态,但是高度却增加了,其能量来自于收腿时所做的功。
整个过程如下图所示:
如果要定量计算也很好算,我就不为难大家的脑细胞了。