探究悠悠球的工作原理

1、 怎么轉(zhuǎn)起來？ -探究悠悠球的原理郁孫豪 一直以來，悠悠球都是廣受歡迎、經(jīng)久不衰的玩具。早在2500多年前，古希臘人就開始玩悠悠球，也有證據(jù)表明，中國人在那之前就有了類似的玩具。不管怎樣，都證明悠悠球的歷史非常悠久除洋娃娃外，比其他任何玩具都古老。歲月變遷，悠悠球的設(shè)計(jì)也幾經(jīng)修改。最初的設(shè)計(jì)是將繩子緊系于輪軸上，這種設(shè)計(jì)一直流行到20世紀(jì)初，而且在十九世紀(jì)的歐洲風(fēng)靡一時(shí)，當(dāng)時(shí)還有過很多名字，如bandelore、quiz和Lemigrette。現(xiàn)代悠悠球于20世紀(jì)20年代從菲律賓傳入美國，繩子只是環(huán)繞在輪軸上。實(shí)驗(yàn)課題：探究悠悠球的原理實(shí)驗(yàn)器材：悠悠球一個(gè)，螺絲刀、刻度尺、停表等工具探究及實(shí)驗(yàn)

2、步驟：1觀察悠悠球悠悠球主要由兩塊蓋板、一個(gè)輪軸、兩塊銅片和一塊鐵片以及一根雙股繩組成。大致結(jié)構(gòu)如下圖。雙股繩環(huán)繞輪軸（如右圖）通過了解，傳統(tǒng)的悠悠球則是選用單股繩，并將繩子緊系在輪軸上的。 2探究各部件的作用作為世界上繼洋娃娃之后的第二古老的玩具，悠悠球結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，拆裝起來不怎么費(fèi)勁但這簡(jiǎn)單的塑料、金屬零件卻還有一些令人搞不懂的地方。除了蓋板之外好像都值得拆開來研究研究。以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)是為探究悠悠的各零件而設(shè)計(jì)的。實(shí)驗(yàn)一 銅片在悠悠球中起到什么作用【實(shí)驗(yàn)步驟】 拆開悠悠球，取出銅片，再重新組裝。 用單股繩系住中指，用力向下投擲。 重復(fù)實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】悠悠球的繩子無法正常拉伸，有幾次甚至出現(xiàn)了

3、散架的情況?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)論】悠悠球中兩塊銅片主要是隔開雙股繩，從而起到保持繩子正常運(yùn)動(dòng)的作用。實(shí)驗(yàn)二 鐵片在悠悠球中起到什么作用【實(shí)驗(yàn)步驟】 拆開悠悠球，取出鐵片，再重新組裝。 用單股繩系住中指，用力向下投擲。 重復(fù)實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】悠悠球轉(zhuǎn)動(dòng)以后很難轉(zhuǎn)上來，而且轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)噪音很大?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)論】鐵片與輪軸之間是活動(dòng)的，悠悠球轉(zhuǎn)回的原因是鐵片（或軸承）在轉(zhuǎn)動(dòng)，而非輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 實(shí)驗(yàn)三 繩子的長(zhǎng)短對(duì)悠悠球轉(zhuǎn)動(dòng)有什么影響【實(shí)驗(yàn)步驟】 取三根長(zhǎng)度為1.20米的雙股繩 取其中的一根,安裝在悠悠球上 用單股繩系住中指，用力向下投擲。(保證悠悠球始終懸空) 開始計(jì)時(shí)，待悠悠球不再轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，停止計(jì)時(shí)。 重復(fù)實(shí)驗(yàn) 分別執(zhí)行

4、相同實(shí)驗(yàn)步驟 記錄并匯總【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】 長(zhǎng)度次數(shù) 用時(shí)12米 08米 06米第一次15秒7秒6秒第二次17秒9秒4秒第三次14秒7秒5秒【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】悠悠球在空中轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短與繩子的長(zhǎng)短有關(guān)系。繩子越長(zhǎng)，悠悠球積聚的勢(shì)能越多,轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間就越長(zhǎng)。 3探索悠悠球運(yùn)動(dòng)過程的細(xì)節(jié)普通的悠悠球在擲出之后都會(huì)旋轉(zhuǎn)著下墜.如果你擲得好的的話,會(huì)使它繩的盡頭激烈地空轉(zhuǎn),這種狀態(tài)被稱為“睡眠”。要是在行家手里，它還變得異常奇妙。熟練的悠悠球玩家能讓悠悠球向各個(gè)方向飛出，懸停在半空中，然后迅速收回掌內(nèi)。這些普通繩子和塑料就仿佛有了生命！這看起來像在變戲法，其實(shí)只是利用了物理原理。要探索它的物理原理，必須先看清楚它是怎

5、么運(yùn)動(dòng)的。我觀察只停留在淺層次，引起我注意的只是繩子的拉伸和主體部分的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，我也只用了一句話概括了觀察的結(jié)果：悠悠球主要是靠積聚的勢(shì)能以及下落的慣性實(shí)現(xiàn)平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)合的。說細(xì)了就是主體下落，繩子從卷曲的狀態(tài)改為拉長(zhǎng)的狀態(tài)，由于繩子的張力的作用帶動(dòng)了主體的轉(zhuǎn)動(dòng)。主體到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)，由于慣性，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。又因?yàn)槔K子的伸縮只是在豎直方向產(chǎn)生了拉力，沒有改變悠悠球水平方向受到的力。所以悠悠球可以一直保持豎直。事實(shí)上，這古老玩具的原理遠(yuǎn)不止這些。主要是軸承的知識(shí)，其中還涉及到了陀螺儀原理，在網(wǎng)上搜索了之后我了解到，它的原理大致是這樣的。(以下內(nèi)容摘自網(wǎng)上)悠悠球在手中時(shí)，具有一定的勢(shì)能。這種勢(shì)能分為

6、兩種不同形式：      （1）悠悠球被持在空中，因此具有落向地面的勢(shì)能。       （2）繩子環(huán)繞著悠悠球，因此放線時(shí)有旋轉(zhuǎn)的勢(shì)能。投放悠悠球時(shí)，上述兩種形式的勢(shì)能都會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。悠悠球的線軸垂直落向地面，形成一定的線動(dòng)量。同時(shí)繩子展開、線軸旋轉(zhuǎn)，形成角動(dòng)量。當(dāng)悠悠球到達(dá)繩子底端時(shí)，就不能繼續(xù)下降了。但由于它還有很多角動(dòng)量，因此會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)讓悠悠球獲得陀螺穩(wěn)定性。物體旋轉(zhuǎn)時(shí)外力會(huì)隨物體本身一起移動(dòng)，因此物體能抵抗對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的改變。例如，如果在轉(zhuǎn)輪頂端的某點(diǎn)推一下，當(dāng)

7、這個(gè)點(diǎn)移到轉(zhuǎn)輪前端時(shí)，施加的力依然存在。受力點(diǎn)繼續(xù)移動(dòng)，并最終對(duì)轉(zhuǎn)輪的底端施力，從而與最初施加在頂端的力自行抵消。因此，只要悠悠球的旋轉(zhuǎn)速度夠快，就能使其轉(zhuǎn)軸與繩子保持垂直。原本我有一個(gè)疑問，既然現(xiàn)代悠悠球改用了雙股繩，也就是兩跟細(xì)繩纏繞在一起的繩子，那么為什么悠悠球不會(huì)在下落的過程中繞著繩子轉(zhuǎn)？看了網(wǎng)上的解釋，解決了我的這個(gè)疑惑：物體旋轉(zhuǎn)時(shí)外力會(huì)隨物體本身一起移動(dòng)，因此物體能抵抗對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的改變。即便是有水平方向上的力存在，也會(huì)因悠悠球的高速運(yùn)轉(zhuǎn)而被抵消。悠悠球也就保持平衡了。 4關(guān)于悠悠球的離合器在20世紀(jì)90年代的悠悠球熱潮中，一種新型的自動(dòng)悠悠球開始四處興盛。這種悠悠球的主要制造商一家玩具生產(chǎn)商在廣告中稱自己的產(chǎn)品為“有大腦的悠悠球”。的確，這種悠悠球看上去仿佛具有某種程度的智力，因?yàn)樗鼈兙_知道何時(shí)懸停及收回，但所謂“大腦”其實(shí)只是一個(gè)離心離合器（如下頁圖）。 這種悠悠球不會(huì)讓繩子直接碰觸輪軸。而只是讓繩子繞在主軸上。輪軸安裝在悠悠球的兩個(gè)蓋板上，并穿過主軸中間，但主軸和輪軸其實(shí)并不相連。離合裝置安放在悠悠球一惻的蓋板中，它由兩條金屬彈簧臂組成。彈簧臂的一端加重，另一端則連接到悠悠球上。當(dāng)悠悠球緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸和輪軸運(yùn)動(dòng)會(huì)一致，此時(shí)彈簧將離合器臂推向主軸，讓主軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)整個(gè)悠悠球。但當(dāng)悠悠球加速時(shí)，由于離心力，離合器臂的加重端會(huì)向彈簧推。離合器臂松開