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滾動物理

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撰文者:張慧貞
發文日期:2018-06-05
點閱次數:981
  • 滾動力學:定律的因果與限制

    「滾動」包含了「轉動」與「平移」,算是力學中較為複雜的現象。雖然現象看似複雜,但仍然可以透過基本的力學定律(包含平移及轉動),所描述的因果關係來推導。透過本單元,讓我們檢測自己對力學定律的的理解,包含因果關係與限制條件。

    小試身手
     


    滾動圖片 1

    圖一:啞鈴上下階梯
     

    已知一個啞鈴在地面上以等速純滾動,直到P點位置,啞鈴以其橫桿卡入階梯後(階梯高度與啞鈴之橫桿相同),繼續向前滾動(如圖1所示),則

    1. 橫桿卡入P點的過程,啞鈴受到階梯之摩擦力方向應為何?
      (A) →   (B)  ←   (C) 零
    2. 承上題,卡入P點的過程,啞鈴之質心速率,應如何變化?
      (A) 增加  (B) 減小  (C) 不變
    3. 承上題,啞鈴對質心轉動之角速率,應如何變化?
      (A) 增加  (B) 減小  (C) 不變
    4. 承上題,啞鈴之總動能,應如何變化?
      (A) 增加  (B) 減小  (C) 不變
    5. 承上題,啞鈴對垂直於紙面之質心轉軸的角動量,應如何變化?
      (A) 增加  (B) 減小  (C) 不變

    接著,啞鈴滾到Q點時,再次接觸地面(啞鈴維持在相同高度),繼續滾動向前(側面圖如圖2所示),則
     


    滾動圖片2


    圖二:啞鈴階梯側面圖

     

    1. 承上題,啞鈴對垂直於紙面之質心轉軸的角動量,應如何變化?
      (A) 增加  (B) 減小  (C) 不變
    2. 承上題,啞鈴之總動能,應如何變化?
      (A) 增加  (B) 減小  (C) 不變
    3. 承上題,此時啞鈴對質心轉動之角速率,應如何變化?
      (A) 增加  (B) 減小  (C) 不變
    4. 回到地面繼續滾動後,與在階梯時相比,啞鈴之質心速率,應如何變化?
      (A) 增加  (B) 減小  (C) 不變
    5. 再次接觸地面瞬間,啞鈴受地面之摩擦力方向與種類,應為何?
      (A)靜摩擦 →  (B)動摩擦 → 
      (C)靜摩擦←  ​​(D)動摩擦 ← (E)無摩擦力

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