圆周运动的生活表现形式(经典物理:物体做圆周运动时的两个有趣现象)

物体做圆周运动时,其合力的方向与物体的线速度的方向垂直,也就是说,合力产生的加速度只是改变了物体沿圆周运动的线速度方向,而并没有改变物体沿圆周运动时线速度的大小。但当物体做圆周运动时,有这么两个有趣的现象,其现象的背后可以令你更加扩宽物理学识。

圆周运动的生活表现形式(经典物理:物体做圆周运动时的两个有趣现象)

第一,在一个匀速圆周运动的圆盘上放入一个木块,这时,木块相对与圆盘处于静止状态,同时,木块也跟着圆盘一起绕着中心轴做匀速圆周运动,那么,是什么力来提供木块绕着中心轴做圆周运动呢?

圆周运动的生活表现形式(经典物理:物体做圆周运动时的两个有趣现象)

首先,咱们先对圆盘上的木块进行合力的受力分析,圆盘上的木块毫无疑问会受到自身的重力,再就是圆盘对木块的支持力。由于木块相对于圆盘处于静止状态,因此,木块的重力与圆盘对木块的支持力就是一对平衡力,故而木板在上下是没有位移发生的。那么,究竟是什么力提供木块绕着中心轴做匀速圆周运动呢?

圆周运动的生活表现形式(经典物理:物体做圆周运动时的两个有趣现象)

不管怎么说,既然圆盘在运动,那么圆盘上的木块就有对圆盘相对运动的趋势,而木块处于静止平衡状态,故而木块与圆盘之间就一定存在着静摩擦力,那么,木块受到的静摩擦力的方向在哪里呢?

圆周运动的生活表现形式(经典物理:物体做圆周运动时的两个有趣现象)

我们知道,木块在圆盘上运动,用微积分的知识可以理解为,圆盘上的木块就是圆盘中的某个质点,而做匀速圆周运动的圆盘,圆盘上所有质点的线速度方向都在圆盘的切线方向上,这种理解并没有什么不合理之处。那么,我们能不能这么说,木块相对于圆盘的静摩擦力方向在圆盘线速度的反方向呢?

圆周运动的生活表现形式(经典物理:物体做圆周运动时的两个有趣现象)

这种假设性的推论是建立在物体做直线运动状态之上的,对于物体做圆周运动并不适用。如果静摩擦力真的在圆盘质点的线速度切线的反方向上话,那么就没有力来提供木块做匀速圆周运动了,故而,木块受到的静摩擦力一定直向轴心,这时的静摩擦力就是用来提供木块做匀速圆周运动的向心力了。

圆周运动的生活表现形式(经典物理:物体做圆周运动时的两个有趣现象)

第二,汽车过拱桥时,也可以看成是汽车在做变速的圆周运动。当汽车行驶在拱桥的最高处时,对汽车进行受力分析。此时汽车受到了重力外,汽车还受到了拱桥顶对它的支持力。因此,汽车的重力与支持力的合力来提供汽车做圆周运动的向心力。

圆周运动的生活表现形式(经典物理:物体做圆周运动时的两个有趣现象)

由于拱桥的圆心在下面,根据物体做圆周运动的规律可得,G-F=mV²/R。在此式中,G为汽车的重力,F为拱桥对汽车的支持力,m为汽车的质量,V为汽车的瞬时速度,R为拱桥的半径,为了方便大家直观的看出现象背后的有趣事情,我们可以将等式进行变化,即F=G-mV²/R。

圆周运动的生活表现形式(经典物理:物体做圆周运动时的两个有趣现象)

由数学常识可知,只要是一个减法运算,都可以使等式的另一半为零。也就是说,当汽车的速度很大时,大到G-mV²/R等于零时,此时拱桥对汽车的支持力就为零了。根据牛顿第三定律可知,汽车对桥面的压力与桥面对汽车的支持力为一对作用力与反作用力的关系,即它们大小相等,方向相反。

圆周运动的生活表现形式(经典物理:物体做圆周运动时的两个有趣现象)

也就是说,当桥面对汽车的支持力为零时,汽车就对桥面的压力也为零。根据失重的相关描述,此时的汽车处于完全失重状态。汽车里的人也处于完全失重状态,这对司机以及乘客是相当危险的。故而,大家驾车经过桥顶时,为了自身以及家人的安全,请不要超过规定的过桥速度,不然后果难以想象啊!

物体做圆周运动的两个有趣的现象,一是让大家将前面所学到的物理常识进行整合,二是为了大家避险所用啊!