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童才为您解析:荡秋千的力学原理

浏览次数:发布时间:2016-04-08 12:58

  秋千运动不仅是一项精彩的竞赛运动,更能够锻炼人的意志,培养勇敢精神。同时,它对人体生理机能的健康发展也是十分有益的。用途游戏用具,将长绳系在架子上,下挂蹬板,人随蹬板来回摆动。

  1.力学模型

  如果把人和秋千组成的系统看作一个摆,摆线在O点处是固定的,摆线自身的伸缩和摆线的质量忽略不计。设想人在最大偏转角处迅速下蹲,在最低点处迅速站立,下蹲和站立的过程都在瞬间完成。人体的下蹲和站立导致了系统质心的升降,相当于有效摆长改变。这样,我们就把人和秋千组成的系统抽象为一个摆长可变的原摆,称之为可变摆长原摆模型。如图1所示。完成第一次摆动质心所走的路径为a-d-e-b-c,图中人站立时的等效摆长oa=ob=oc=l1,人下蹲时的等效摆长od=oe=of=l0,l0>ll

  2.运动过程分析

  现在我们把人,秋千和地球所组成的系统作为研究对象,这样在荡秋千的全过程中,系统所受到的外力只有悬点的约束反力,其值与摆线张力T相同,为一变力。但是,因为悬点固定,此外力并不作功。重力为保守力,使人下蹲和站起的力为非保守内力。根据功能原理:"一切外力与非保守内力所作功之和等于质点系机械能的增量。"因为外力并不作功,所以有Aλ=ΔE。现在我们来研究图。所示的可变摆长单摆模型的第一次摆动。

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