對一種能空翻360°站穩(wěn)的猴子玩具進行了實驗測量。在實驗測量中,用懸掛法測量了質心位置,復擺法測量了轉動慣量,拉伸法測量了彈簧剛度。此外,還用數(shù)字圖像相關法對猴子玩具的運動過程進行了測量。結果表明,通過實驗測量結果與理論分析的相互印證,能更好地闡述猴子玩具運動的力學機理。該實驗項目的開展有助于培養(yǎng)學生的實驗和科研興趣。 

【文章來源】：力學與實踐. 2020,42(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

懸掛法測量猴身的質心位置

圖12(a)是猴子玩具整體質心C的坐標[xc,yc]在運動過程中的變化曲線，該坐標以圖像左下角為原點。圖12(b)是對質心坐標求導后得到的質心速度vcx和vcy的變化曲線。與圖11(b)類似，也可從猴子玩具運動的四個階段對圖12(b)進行分析。3.2 討論

圖11(a)是測量得到的轉角θ1和θ2的變化曲線，圖中下橫軸是圖像序列，上橫軸是時間(后圖同)。圖11(b)是對圖11(a)中的轉角變化曲線數(shù)值求導后得到的角速度ω1和ω2的變化曲線。經(jīng)過分析，猴子玩具的運動可分為四個階段，如圖11(b)中所示：階段1，ω1和ω2基本為零，此階段猴子玩具站立于桌面，猴身緩慢前傾，彈簧被拉伸開來；階段2，ω1和ω2迅速變化，其中ω1快速下落，ω2迅速上升，這對應著猴腳發(fā)生順時針快速轉動，也就是猴腳突然踮起的過程，與此同時，猴身發(fā)生逆時針轉動，也就是猴身突然后仰的過程；階段3，ω1和ω2基本相同且保持平穩(wěn)，這對應著猴腳和猴身以相同的角速度在空中逆時針轉動；階段4，ω1和ω2突然跌落，并在振蕩中逐漸趨于零，這對應著猴子玩具落回桌面，并在與桌面的碰撞過程中逐漸站穩(wěn)。圖11(b)還顯示，從階段2進入階段3時，猴腳的角速度ω2發(fā)生了從負到正的大幅突變，該現(xiàn)象發(fā)生的原因，是由于該時刻猴腳上的弧形板撞上了猴身上的限位塊，見圖2(d)，由于猴身的轉動慣量比猴腳的轉動慣量大得多，因此碰撞使得猴腳的角速度ω2發(fā)生大幅突變，而猴身的角速度ω1雖然也有改變，但變化幅度較小，如圖11(b)所示。實驗觀察還發(fā)現(xiàn)，從猴身處于直立狀態(tài)算起，在進入階段2之前，猴身轉動過的角度約有30?。然而，圖11(a)中顯示θ2在階段1中的變化只有約5?，造成這一差異的原因是由于相機的采圖時間有限，為了捕捉猴子玩具的整個運動過程，相機是從猴身發(fā)生前傾一段時間之后才開始采集圖像的。圖12(a)是猴子玩具整體質心C的坐標[xc,yc]在運動過程中的變化曲線，該坐標以圖像左下角為原點。圖12(b)是對質心坐標求導后得到的質心速度vcx和vcy的變化曲線。與圖11(b)類似，也可從猴子玩具運動的四個階段對圖12(b)進行分析。

【參考文獻】：
期刊論文
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