新浪博客

《锥体上滚》的数学模型

2019-03-21 00:03阅读:
【转发】
《锥体上滚》的数学模型

作者 北京师大二附中高三(1)班 金星 张雯
发表于《科技馆》杂志1991年第1
在学校组织的社会实践活动中,我们被分配在中国科技馆力学展区,负责展品《锥体上滚》的讲解工作。
《锥体上滚》是一种有趣的力学现象。它的原理是:在重力场中物体的重心越高,稳度越小,重心越低,稳度越大。因此,处于不稳定状态的物体,总有降低其重心以求稳定的趋势。
《锥体上滚》的数学模型

1
这个展品的结构如图1所示。它由放在水平桌面上的两条倾斜轨道和一个双锥体(以下简称锥体)组成。两条轨道低端靠近,高端分开,形成一个夹角。当我们把锥体放在轨道低端,放手后,将会看到它自动的向高端滚去。此现象不是违背了上述的力学原理吗?展品的趣味正在于此,它向观众提出了一个问题:生活中只见水向低处流,球向低处滚。这一司空见惯的规律,在这儿怎么翻个儿了?其实,透过锥体上滚的表面现象,仔细分析一下上滚过程中锥体重心的变化,就会真相大
白了。
《锥体上滚》的数学模型
2 轨道俯视图

设轨道夹角为θ(图2),轨道与水平面夹角为φ(图3),锥体的锥角为α,底半径为r(图4)。锥体是均匀的规则几何体,重心就在它的几何中心处。当某一时刻,锥体滚到轨道交点x处。
《锥体上滚》的数学模型
3 轨道侧视图

《锥体上滚》的数学模型
4 锥体示意图

《锥体上滚》的数学模型
《锥体上滚》的数学模型
即锥体的重心将随着轨道的升高而升高,此时锥体在低端是静止的,当锥体处于高端时,则要向低端滚动,此时观察到的是锥体下滚。
《锥体上滚》的数学模型
5

《锥体上滚》的数学模型
锥体的重心随着轨道的升高而降低,锥体才能“上滚”。
由此可见,θ、φ、α三个角在整个装置中起关键作用。三个角的关系,只要在满足条件(3)的情况下,无论如何改变其大小,锥体仍然可以“上滚”。若使“上滚”现象更明显,只要改变三个角的大小,如增大两轨道间夹角θ,增大锥角α,减小轨道倾斜度,还有增大锥体半径,也可达到同样的效果。
我们建议:在装置旁给出一些必要的展品图解。设计一个可改变角θ、φ、α大小的实验装置。准备一些必要的测量工具,让观众实际动手测量一下,以便加深对锥体“上滚”现象的理解。

我的更多文章

下载客户端阅读体验更佳

APP专享