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开始滚动动作

作者:Ron Kurtus

在一个表面上的轮子或球是靠静力滑动摩擦固定在那里的。为了开始滚动运动,必须给车轮施加一个力或扭矩。静力滑动摩擦力阻止车轮滑动,从而开始滚动运动。滚动运动实际上是一种围绕接触点倾斜的形式。

你可能会问的问题包括:

本节课将回答这些问题。有用的工具:单位转换



滚动点和枢轴点

你可以看到滚动是如何开始的,就像车轮围绕它在地面上的接触点旋转一样,在那里它被静态滑动摩擦固定在原地。旋转的结果是车轮表面接触地面的下一部分成为新的枢轴点。

车轮从一个枢轴点滚动到另一个枢轴点

车轮从一个枢轴点滚动到另一个枢轴点

向车轮施加扭矩

在轮轴上施加扭矩将导致车轮滚动,前提是在与另一个表面接触的点上存在静态滑动摩擦阻力。如果在接触点存在可以忽略不计的静态滑动摩擦——比如一个轮子在冰上——轮子就会简单地旋转。

沿上的力来自力矩

扭矩是施加在轮轴上的旋转力,使其旋转。转矩与距离轴一定距离处的力的关系为:

τ = rFe

Fe=τ/ r

在哪里

扭矩在车轮边缘产生一个力

扭矩在车轮边缘产生一个力

摩擦导致向前运动

力,F,是由车轮与地面或其他表面接触点的静摩擦所抵抗的。这个阻力使车轮向前滚动。

推动车轮前进的力是边缘处的力矩减去静摩擦:

F = Fe−Ff

在哪里

摩擦所抵抗的扭矩导致向前滚动

摩擦所抵抗的扭矩导致向前滚动

开始旋转

如果力矩产生的力远大于静摩擦(FeF > >r)时,静摩擦变为动摩擦或滑动摩擦,车轮开始旋转,因为动摩擦系数小于静摩擦系数。

虽然车轮会向前滚动,但由于它也在旋转,向前的速度将小于它不旋转时的速度。

推或拉轮子的

你也可以通过推动轮子或球来让它滚动。同样,在接触点的静摩擦阻止了车轮向前滑动。在这种情况下,静摩擦阻止车轮向前滑动,并且是相反的方向。

推一个轮子,它就开始滚动

推一个轮子,它就开始滚动

如果车轮在斜坡上,重力会拉着车轮,同样的原理适用,当车轮被拉下斜坡时,静摩擦会导致车轮滚动。

履带和柔软的表面

如果车轮或轮胎有胎面,并被其轴上的扭矩转动,当另一个表面是软的时,一个新的因素就会起作用。在这种情况下,履带会深入柔软的表面,极大地增加牵引力。通常情况下,柔软的表面材料,如泥土或雪,与轮胎或车轮的系数要低得多。因此,踏板是必要的,以创造足够的牵引力来推动车轮(及其车辆)前进。

踏面会陷进去,帮助车轮向前滚动

踏面会陷进去,帮助车轮向前滚动

雪地轮胎和在泥泞中行驶的轮胎的胎面会深入柔软的表面,让轮胎向前滚动。大多数日常汽车轮胎的大部分胎面都是对齐的,以防止水在暴雨中形成润滑层,导致滑动。

总结

当施加一个力,并且在与地面接触的点上有一个阻力或摩擦力时,车轮就会开始滚动。力可以是扭矩,也可以是车轮上的线性推力。静摩擦引起滚动运动。它也被称为车轮的牵引力。


保持良好的状态


资源及参考资料

罗恩·库图斯的证书

网站

摩擦资源-广泛的清单

滚动摩擦和滚动阻力-包括系数-工程工具箱

滚动摩擦-简单解释-戴维森学院

滚动阻力-数学方法- MathWorks

滚动阻力方程-推导-真实世界的物理问题

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