转个不停的溜溜球-力学奥秘
溜溜球是很有趣的健身玩具。玩溜溜球时,用手抓住绕在溜溜球短轴上的绳子的一端,把球向下扔出去,球随着缠绕它的绳子一圈圈松开,转了起来。当绳子全部拉直时,溜溜球又会转上来,并使绳子沿相反方向缠绕在短轴上,直至又回到手上。再次将球扔出去,球又会转回来,如此往复,乐在其中。
为什么溜溜球能自动返回手中呢?这里有个重要的力学知识,就是物体的动能和势能可以互相转换。当球在手中时,一边转动一边向下运动,并在重力的作用下,越转越快;动能不断增大,同时,溜溜球随着位置的不断下降,势能不断减小,这时,溜溜球的势能转变成了动能。待到溜溜球转到最低点时,溜溜球的动能最大,势能最小,这时,溜溜球转动得最快。到达最低点后,溜溜球又会沿着绳子向上转,将绳子沿原来的相反方向缠绕在短轴上。随着溜溜球的上升,它的转动速度越来越慢,这时,溜溜球的动能又不断转换成势能,直到转至最高处停止转动,溜溜球的动能为零,势能却是最大。
根据机械能守恒定律,在没有外力或外力做功等于零时,物体的机械能总和不变。这样溜溜球应该回到原来的位置上。但是,在溜溜球转上转下的运动中,由于空气的阻力和绳子与短轴之间的摩擦力,会损失掉一部分能量,如果不补充能量,溜溜球将上升回不到原先的高度。所以,在玩溜溜球时要有一定的技巧,不断地给溜溜球补充一些能量。怎样补充能量呢?在溜溜球转到最低点,绳子将要开始向上缠绕的一瞬间,用手将绳子往上提一下,使溜溜球的转速更快些,增加一点动能。这样,溜溜球就能上下转个不停。