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Sandbox Physics

M052 · 滚动与摩擦

滚动竞速实验室

比谁先滚下斜坡,实心球一定最快吗? 只有摩擦足够让每个物体从一开始就纯滚动时才是。这时实心球赢,它分给转动的能量最少。完全没有摩擦时,所有物体滑下的加速度都一样;一开始就在自转的物体,还可能一直打滑。

让实心球、圆盘、薄圆环和自定义环体从三维斜坡上滚下,斜坡可以旋转查看。找出每条轨道冲线的时刻,以及物体从滑动转为纯滚动的时刻,跟踪轮缘上的一个点,再查看记录下来的能量。调节坡角、表面摩擦和初始轮缘转速,比较冲线时间、接触点速度和能量。自定义环体显示纯滚动需要多大的静摩擦;一开始在滑的物体,也可能转入纯滚动。

交互模型滚动竞速实验室
自定义环角加速度0 rad s−20\,\mathrm{rad\,s^{-2}}
自定义环绕中心力矩0 N m0\,\mathrm{N\,m}
自定义环接触耗散功率0 W0\,\mathrm{W}
首次预测滑移转纯滚动事件No transition\text{No transition}
记录时间0 s0\,\mathrm{s}
实心球已采集的冲线时间Awaiting crossing\text{Awaiting crossing}
圆盘已采集的冲线时间Awaiting crossing\text{Awaiting crossing}
薄圆环已采集的冲线时间Awaiting crossing\text{Awaiting crossing}
自定义环已采集的冲线时间Awaiting crossing\text{Awaiting crossing}
实心球预测冲线时间0 s0\,s
圆盘预测冲线时间0 s0\,s
薄圆环预测冲线时间0 s0\,s
自定义环预测冲线时间0 s0\,s
自定义环记录距离0 m0\,m
自定义环记录的中心速度0 m s−10\,\mathrm{m\,s^{-1}}
自定义环记录的角速度0 rad s−10\,\mathrm{rad\,s^{-1}}
自定义环底部接触速度0 m s−10\,\mathrm{m\,s^{-1}}
自定义环有向接触摩擦力0 N0\,N
自定义环支持力0 N0\,N
自定义环纯滚动所需摩擦力大小0 N0\,N
自定义环静摩擦上限0 N0\,N
自定义环纯滚动最低静摩擦系数00
实际动摩擦系数00
自定义环累计接触耗散0 J0\,J
四条轨道中最大的能量守恒偏差0 J0\,J

物理教程

纯滚动是一条摩擦约束

背景实心球和圆环要转得更快,需要的力矩不一样。这个力矩由接触处的摩擦提供,而同一个摩擦也会改变质心的加速度。

为什么值得理解OpenStax《大学物理》11.1 节推导了滚动运动,以及纯滚动需要多大的静摩擦。这场竞速先看静摩擦够不够,够了才用纯滚动公式。

先抓重点

核心问题
通常的冲线顺序在低摩擦表面还能成立吗?
一句话直觉
纯滚动要同时满足两条:底部接触点速度为零,所需的摩擦力不超过表面能给的上限。只看质心怎么动,判断不了它是在滚还是在滑。

核心数学模型

平动与转动

ma=mgsin⁡γ+f,Iω˙=Rf,v+Rω=0ma=mg\sin\gamma+f,\qquad I\dot\omega=Rf,\qquad v+R\omega=0

下坡运动和逆时针转动取正。摩擦力沿斜面向下为正。

什么时候能纯滚动

β=ImR2,a=gsin⁡γ1+β,μs≥β1+βtan⁡γ\beta=\frac{I}{mR^2},\quad a=\frac{g\sin\gamma}{1+\beta},\quad \mu_s\ge\frac{\beta}{1+\beta}\tan\gamma

这个不等式只说明能不能纯滚动,不代表实际摩擦力就等于上限。

滑动接触

s=v+Rω,f=−μkN sgn⁡(s),N=mgcos⁡γs=v+R\omega,\qquad f=-\mu_kN\,\operatorname{sgn}(s),\qquad N=mg\cos\gamma

物体释放时滑移为零、静摩擦却不够,求解器就按接触点即将滑动的方向来定动摩擦。

算上接触生热的能量

K=12mv2+12Iω2,Q=∫μkN∣s∣ dt,K+Q−K0=mgxsin⁡γK=\frac12mv^2+\frac12I\omega^2,\quad Q=\int\mu_kN|s|\,\mathrm{d}t,\quad K+Q-K_0=mgx\sin\gamma

理想的静摩擦接触不会把能量变成热,只是在平动和转动之间重新分配能量。

常见难点

摩擦阻碍的是滑移

容易误解摩擦总要反对质心速度。

正确理解物体一开始就在转时,摩擦可以把质心往坡下加速,同时让接触点的滑移变小。

旋转也能滑动

容易误解看见旋转就说明纯滚动。

正确理解看底部接触点的速度,再比较所需摩擦和静摩擦上限。

终点线只是停止记录

容易误解物体到了终点线就停下来。

正确理解每条轨道在物体恰好冲线时停止记录,画面停在最后记录的状态,物体并没有被刹住。

动手实验

  1. 01

    看斜坡上的接触点

    切到环体接触特写,跟着轮缘上的白色标记看;分别打开或关闭受力箭头和底部速度。

    你会看到: 物体滑动时也在转。只有接触点进入纯滚动后,青色滑移箭头才消失。
  2. 02

    逐个找到冲线时刻

    点“首次冲线”和“下一次冲线”,再打开这一时刻的“能量账本”。

    你会看到: 每条轨道在自己冲线时停止记录,不模拟刹车。能量图只包含自定义环到当前时刻为止记录的数据。
  3. 03

    摩擦足够时竞速

    选“摩擦足够,纯滚动”,点“记录全部冲线事件”。

    你会看到: 实心球第一,圆盘第二;自定义环和薄环的名次取决于各自的质量分布。
  4. 04

    把摩擦降到滚不动

    调低“静摩擦系数”,看自定义环需要的摩擦阈值。

    你会看到: 表面给不出纯滚动所需的摩擦时,滑移速度就不再是零。
  5. 05

    去掉摩擦力矩

    选“无摩擦并列”。

    你会看到: 四个物体同时冲线,接触耗散保持为零。
  6. 06

    看转着的物体怎样进入纯滚动

    选“先滑动,再纯滚动”,拖动时间,找到接触点从滑动变成滚动的那一刻。

    你会看到: 滑移在一个确定的时刻归零。只要静摩擦够大,之后就一直纯滚动。
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