我们可能都玩过这样一个游戏,把一张带颜色的纸片贴在自行车或汽车的车胎上,那么,在自行车或汽车前进的时候,就可以发现一个惊奇的现象:当纸片转到车轮最底端,也就是车轮跟地面接触的那一端时,我们可以很清楚地看到纸片的移动,但是当它转到车轮最顶端,也就是车轮上端的时候,却一下就闪过去了,根本来不及看清楚纸片的移动。
这么说来,车轮的上端似乎比下端转动得要快一些。这种现象是普遍的,你可以随便找一辆行驶着的车子,从上下轮辐上看,你看到的永远是轮子的上轮辐几乎连成一片,而下轮辐就不一样,可以清楚地看清楚车轮的每一条辐条。这一现象,容易让人形成这样一个感觉:车轮的上端似乎比下端旋转得更快,是真的吗?
说到这里,该如何解释这一奇怪的现象呢?其实,很简单,也很容易解释:车轮的上端确实要比车轮的下端移动得更快些。这么说,你可能一时无法理解,但是,如果换一个角度想这个问题,就很容易理解了。
前面已经说过,在旋转着的物体上,每一个点的运动都是由两部分叠加而成的,车轮也是一样:一个是绕车轴旋转的运动,一个是与车轴一起向前的运动。所以,就跟地球上的情形一样,两个运动叠加到一起,得到的结论就是,车轮的上端和下端运动的速度是不同的。对于车轮的上端来说,由于车轮自身的旋转方向跟车轴前进的方向是相同的,也就是说,两个方向的速度要相加。但是对于车轮的下端来说,两个方向是相反的,两个方向的速度叠加的时候是相减的,因此速度也就慢了下来。在旁边处于静止状态的我们看来,车轮上端移动的速度比下端快,就很容易理解了。
如图所示,我们可以通过一个简单的实验来证明这一现象:
图 如何证明车轮上端比下端运动得更快?
在一辆车子的车轮旁边的空地上,插上一根木棍,要求这根木棍恰好竖直地穿过车轮的轴心,然后,用粉笔或炭块在轮缘的最上端和最下端分别划出一个标记,我们把它们记为A和B,这两个标记应该恰好是木棍通过轮缘的位置。这时,把车轮缓缓滚动,使轮轴离开木棍20厘米~30厘米,刚才划出的两个标记,都移动了一定的距离。但是,不同的是,上面的标记A移动的距离比较长,而下面的标记B却只离开木棍一点儿距离,也就是说,上面的标记A显然比下面的标记B移动的距离要大得多。