Lesson 03

Rolling Motion

滚动运动

圆柱在桌上运动时,质心前进、圆柱转动。是否打滑取决于两者在接触点怎样叠加,因此滚动首先是一个运动约束,再是动力学和能量问题。

1. Pushing a cylinder on a surface

刚体某点 \(P\) 的速度由质心平动与绕质心转动相加:

\[\vec v_P=\vec v_{\mathrm{cm}}+\vec\omega\times\vec r_{P/\mathrm{cm}}.\]

设质心向右运动,顺时针角速率为 \(\Omega>0\),底部接触点相对于静止地面的速度为 \(v_{\mathrm{slip}}=v_{\mathrm{cm}}-\Omega R\)。它为正时接触点向右滑,动摩擦向左;为负时相反。摩擦方向应从这个相对滑动判断,不能只看质心速度。

滑动时,\(M\dot v_{\mathrm{cm}}=\sum F_x\)、\(I_{\mathrm{cm}}\dot\omega=\sum\tau_{\mathrm{cm}}\) 分别描述平动与转动。动力学逐渐改变两者,直到接触点滑动速度为零。动摩擦耗散的机械能速率是 \(f_k|v_{\mathrm{slip}}|\),不是简单地把质心速率代入。到达不滑动状态后,要重新检查静摩擦能否维持约束。

2. Rolling without slipping

Rolling without slipping 纯滚动要求接触点相对于接触面瞬时静止。固定水平面上,

\[\begin{gathered} v_{\mathrm{cm}}=\Omega R, \\ a_{\mathrm{cm},t}=\alpha R. \end{gathered}\]

圆柱顶点速率为 \(2v_{\mathrm{cm}}\),底点瞬时速率为零。底点下一时刻会离开接触位置,因此“瞬时静止”不表示这个物质点永远不动,也不表示其加速度为零。

固定、不形变的接触面上,理想静摩擦可以提供力矩,却因受力点瞬时速度为零而不做实际功。约束仍需满足 \(|f_s|\le\mu_sN\);不是所有运动都能保持纯滚动。把圆柱放上斜面,便能看见惯量与这个约束的共同作用。

纯滚动:底部接触点瞬时静止,顶点速度是质心的两倍

3. Rolling on slopes

物体从斜面向下纯滚动,重力提供沿面驱动,静摩擦向上提供绕质心的力矩。取沿面向下为正:

\[\begin{gathered} Mg\sin\theta-f_s=Ma, \\ f_sR=I_{\mathrm{cm}}\alpha, \\ a=\alpha R. \end{gathered}\]

令 \(\beta=I_{\mathrm{cm}}/(MR^2)\),得到

\[\begin{gathered} a=\frac{g\sin\theta}{1+\beta}, \\ f_s=\frac{\beta}{1+\beta}Mg\sin\theta. \end{gathered}\]

只有所需摩擦不超过上限时,这个解才有效。相同形状和质量分布的物体,\(\beta\) 相同,理想加速度不依赖质量和大小;环与实心圆柱的 \(\beta\) 不同,因此下滑快慢不同。

从静止下降高度 \(h\),无耗散时 \(Mgh=Mv^2/2+I_{\mathrm{cm}}\omega^2/2\),于是 \(v=\sqrt{2gh/(1+\beta)}\)。能量给速率,动力学给摩擦与加速度,两者互相检查。下一单元回到弹簧的回复力,研究不断往返的运动。

回到顶部 ↑