發(fā)布時(shí)間：2021-02-15 15:39

　　對(duì)一種能空翻360°站穩(wěn)的猴子玩具進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中,用懸掛法測(cè)量了質(zhì)心位置,復(fù)擺法測(cè)量了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,拉伸法測(cè)量了彈簧剛度。此外,還用數(shù)字圖像相關(guān)法對(duì)猴子玩具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論分析的相互印證,能更好地闡述猴子玩具運(yùn)動(dòng)的力學(xué)機(jī)理。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和科研興趣。 

【文章來(lái)源】：力學(xué)與實(shí)踐. 2020,42(05)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

懸掛法測(cè)量猴身的質(zhì)心位置

圖12(a)是猴子玩具整體質(zhì)心C的坐標(biāo)[xc,yc]在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變化曲線，該坐標(biāo)以圖像左下角為原點(diǎn)。圖12(b)是對(duì)質(zhì)心坐標(biāo)求導(dǎo)后得到的質(zhì)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(yùn)動(dòng)的四個(gè)階段對(duì)圖12(b)進(jìn)行分析。3.2 討論

圖11(a)是測(cè)量得到的轉(zhuǎn)角θ1和θ2的變化曲線，圖中下橫軸是圖像序列，上橫軸是時(shí)間(后圖同)。圖11(b)是對(duì)圖11(a)中的轉(zhuǎn)角變化曲線數(shù)值求導(dǎo)后得到的角速度ω1和ω2的變化曲線。經(jīng)過(guò)分析，猴子玩具的運(yùn)動(dòng)可分為四個(gè)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(lái)；階段2，ω1和ω2迅速變化，其中ω1快速下落，ω2迅速上升，這對(duì)應(yīng)著猴腳發(fā)生順時(shí)針快速轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是猴腳突然踮起的過(guò)程，與此同時(shí)，猴身發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是猴身突然后仰的過(guò)程；階段3，ω1和ω2基本相同且保持平穩(wěn)，這對(duì)應(yīng)著猴腳和猴身以相同的角速度在空中逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；階段4，ω1和ω2突然跌落，并在振蕩中逐漸趨于零，這對(duì)應(yīng)著猴子玩具落回桌面，并在與桌面的碰撞過(guò)程中逐漸站穩(wěn)。圖11(b)還顯示，從階段2進(jìn)入階段3時(shí)，猴腳的角速度ω2發(fā)生了從負(fù)到正的大幅突變，該現(xiàn)象發(fā)生的原因，是由于該時(shí)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(zhuǎn)動(dòng)慣量比猴腳的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)觀察還發(fā)現(xiàn)，從猴身處于直立狀態(tài)算起，在進(jìn)入階段2之前，猴身轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)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(jī)的采圖時(shí)間有限，為了捕捉猴子玩具的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，相機(jī)是從猴身發(fā)生前傾一段時(shí)間之后才開始采集圖像的。圖12(a)是猴子玩具整體質(zhì)心C的坐標(biāo)[xc,yc]在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變化曲線，該坐標(biāo)以圖像左下角為原點(diǎn)。圖12(b)是對(duì)質(zhì)心坐標(biāo)求導(dǎo)后得到的質(zhì)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(yùn)動(dòng)的四個(gè)階段對(duì)圖12(b)進(jìn)行分析。

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