为什么艺术体操运动员手中的圆圈抛出后能自动返回?
圈操是一种艺术体操。运动员" target="_blank" title="运动员">运动员使用的器械是内径80~90厘米的木制或塑料制成的圈,横截面可以是圆形、椭圆形等,质量至少为300克。圈操表演由滚动、转动、8字、绕环、抛接、旋转、钻圈以及平衡等动作编排而成。
在圈操项目的表演中,我们经常看到这样一个有趣的现象:运动员" target="_blank" title="运动员">运动员将手中的圆圈抛出,圆圈在地面向前运动了一段距离后还能自动返回运动员" target="_blank" title="运动员">运动员的手中,这是为什么呢?
物理学家在研究物体的运动时,常常将实际物体简化为某一理想模型来讨论。例如,只考虑物体的质量,不考虑物体形状、大小,将其视为一个点的“质点”模型;又比如忽略物体在运动过程中形状的微小改变,将其视为形状始终保持不变的“刚体”模型。
圈操中的圆圈可以视为刚体,圆圈被抛出后的运动可分解为圆圈随质心(圆心)的平动和绕质心的转动。圈操运动员" target="_blank" title="运动员">运动员将手中的圆圈抛出的瞬间(假定向左),她除了给圆圈一个向左的初速度外,还使圆圈顺时针方向转动起来,即具有了初角速度。圆圈被抛出后在地面上既整体向左滑动,又具有顺时针的滚动,此时它受到来自地面向右的滑动摩擦力作用。由于摩擦力方向与初速度方向相反,圆圈的质心向左作减速运动,同时圆圈绕质心的转动也减慢。圆圈能否顺利返回到运动员" target="_blank" title="运动员">运动员手中,何时、何处开始返回,与圆圈被抛出时的初速度、初角速度以及上述两种减速运动密切相关,可能会出现三种情况。
第一种可能,在圆圈向左滚动且滑动过程中,圆圈绕质心旋转的角速度先减小到零,而质心向左运动的速度还未减小到零,此时圆圈将继续向左运动下去。第二种情况,当圆圈绕质心旋转的角速度减小到零时,质心向左运动的速度也恰好减小到零,此时圆圈将停止运动。第三种情况,当质心向左运动的速度先减小到零,而圆圈绕质心旋转的角速度还未减小到零,此时圆圈在滑动摩擦力作用下,质心将反方向向右作加速运动,这样圆圈就能返回到运动员" target="_blank" title="运动员">运动员的手中了。
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