锥体上滚


锥体上滚






操作说明:

将锥体放到轨道低端,松手后,观察锥体的运动方向。


产品简介:

展品由一个双锥体和倾斜轨道组成。将锥体放在轨道低端时,会惊奇的发现锥体竟然沿着轨道向上滚去。这其中的奥秘是什么呢?仔细观察,你会发现锥体上滚只是表面现象,实际上在锥体上滚过程中,它的重心却是由高到低变化的。倾斜轨道两边呈八字排列,一端低一端高,在低端,轨道间的距离小,支点靠近锥体的中心,锥体重心高,而在高端轨道间的距离大,支点靠近锥体外缘,锥体重心低。所以当把锥体放在轨道低端时,它会沿着轨道向上滚动,这就是锥体上滚的奥秘所在。物体在重力场中受到重力的作用,总会按照降低重心求稳定的规律进行运动。“降低重心求稳定”的规律在汽车、航空等领域都有广泛的应用。


视频演示:


原    理:

能量最低原理和重心运动

‌锥体上滚‌的原理主要基于能量最低原理和重心运动。锥体上滚实验通常由一个双锥体和两根平行且向上抬起的导轨组成。当双锥体放置在轨道的低端时,放手后它会向轨道的高端滚动。‌1

实验装置和现象

锥体上滚实验的装置通常包括一个双锥体和两根平行且向上抬起的导轨。当双锥体放置在轨道的低端时,放手后它会向轨道的高端滚动。这种现象是由于在轨道的最低处,双锥体的重心在最高处;而在轨道的最高处,双锥体的重心却在最低处。

物理原理

‌能量最低原理‌:物体或系统的能量总是自然趋向最低状态。在锥体上滚实验中,当双锥体在轨道的最低处时,它的重心在最高处;当双锥体在轨道的最高处时,它的重心却在最低处。

‌重心运动‌:当双锥体在轨道上滚动时,由于轨道臂间的距离变大,锥体与轨道的支持点由锥底向锥尖方向移动,从而使锥体的重心降低。由于轨道分开而使重心降低的高度大于轨道上升的高度,从而给人造成一种锥体会从低向高滚动的错觉。

实际应用

锥体上滚的原理在实际生活中有多种应用:

‌自行车制动‌:刹车器的摩擦带通常呈锥体形状,能够均匀地接触到车轮表面,实现有效的制动效果。

‌滚筒洗衣机‌:滚筒内部的凸起物使得衣物在旋转过程中产生类似于锥体上滚的运动,更好地清洁衣物并减少磨损。

‌不倒翁‌:不倒翁的设计使得其重心较低,能够在受到外力作用时保持稳定。

‌公共汽车站牌‌:站牌底部较重,利用降低重心的原理增加稳定性。

‌电扇底座‌:电扇底座较重,降低整个电扇的重心,减少晃动或倾倒的可能性。


应    用:

‌锥体上滚的应用主要体现在物理学教育和展示中,通过其独特的物理现象来展示重心的运动规律和视觉错觉。‌‌

锥体上滚实验由一个双锥体和两根平行且向上抬起的导轨组成。虽然从表面上看,锥体似乎能从低处滚到高处,但实际上这是由于锥体的形状、轨道不平行以及轨道两端高低不等造成的视觉错觉。实际上,锥体的重心始终是由高向低运动的。

在科技馆或物理展览中,锥体上滚展品通过调节轨道的俯仰角和夹角,展示了物体在重力作用下的运动规律。观众可以通过观察锥体在没有动力的情况下自己向上滚动,理解重心的运动和视觉错觉的关系。这种展品不仅展示了物理现象,还提醒人们在观察事物时要透过现象看本质。

此外,锥体上滚实验还涉及到双锥体在重力场中的平衡问题。运动的物体在重力的作用下总是平衡在重力势能极小的位置。当双锥体处于轨道低端时,导轨间距小,重心被抬高;而处于轨道高端时,导轨间距大,重心下降。因此,双锥体为了保持稳定,会表现出“上滚”的现象。


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