神奇的太空單擺

1、航天技術(shù)與牛頓定律神奇的太空單擺昆明一中孫彪日，我國成功發(fā)射了神州十號宇宙飛船。月日在天宮一號倉里，我國航天員聶海勝、張曉光、王亞平進(jìn)行了太空授課，王亞平擔(dān)任主講。本次太空授課完成了太空質(zhì)量測量、太空單擺運(yùn)動、太空陀螺運(yùn)動、太空制作水膜、太空制作水球等五個基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象奇妙無比，扣人心弦，激發(fā)了同學(xué)們的濃厚興趣。現(xiàn)就太空單擺實(shí)驗(yàn)作如下探討。1太空單擺神奇現(xiàn)象之一-不會擺動地面的單擺拉離平衡位置后就會在平衡位置附近來回擺動，因?yàn)榈孛鎲螖[拉離平衡位置后受到指向平衡位置的回復(fù)力作力作用。如圖所示，小球質(zhì)量為，小球偏離平衡位置e角，則小球的回復(fù)力為e，在回復(fù)力作用下，小球?qū)挠覀?cè)擺向平衡位置。小球

2、擺到平衡位置后，具有一定的速度，將繼續(xù)向左側(cè)擺動。向左側(cè)擺動中，小球受到受到從左指向平衡位置的回復(fù)力作用，在這個力作用下，小球?qū)p速運(yùn)動。運(yùn)動到左側(cè)某一高度時，小球速度為零。在忽略空氣阻力的情況下，小球運(yùn)動機(jī)械能守恒。因?yàn)樾∏蛟谶\(yùn)動過程中繩的拉力不做功，只有重力做功，所以機(jī)械能守恒。根據(jù)機(jī)械能守恒，小球在左側(cè)速度為零時離最低點(diǎn)的豎直高度與右側(cè)釋放點(diǎn)的高度一樣。從能量轉(zhuǎn)化的角度說，小球從右側(cè)擺向左側(cè)的過程中：重力勢能動能重力勢能。在理想化條件下，小球一經(jīng)擺動，將永不停息。擺動的根本原因是因?yàn)樾∏蚴艿交貜?fù)力作用。這個回復(fù)力就是重力沿切線方向的分力。太空單擺之所以不會擺動是因?yàn)樘諉螖[處于完全失重狀

3、態(tài)。此時繩對小球沒有拉力，小球雖然受到重力作用，但重力充當(dāng)向心力，維持小球和飛船一起繞地球做勻速圓周運(yùn)動。小球不論從那個位置相對飛船從靜止釋放，小球都將處于漂浮狀態(tài)，不會擺動。2太空單擺神奇現(xiàn)象之二-“輕松做”勻速圓周動在繞地球作勻速圓周運(yùn)動的天宮一號倉內(nèi)，用繩栓著一小球，只要給小球一個切線方向的初速度，無論這個速度多么小都能讓小球做勻速圓周運(yùn)動，而且小球在任意的軌道平面內(nèi)都可以做勻速圓周運(yùn)動，如圖是水平面內(nèi)的勻速圓周運(yùn)動、圖是與水平方向成某一角度的平面內(nèi)的勻速圓周運(yùn)動、圖是豎直平面內(nèi)的勻速圓周運(yùn)動。在地面上小球做勻速圓周運(yùn)動就沒有那么“輕松”，象圖那樣在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動是不可能的，小球

4、在水平面內(nèi)只能做圓錐擺運(yùn)動如圖所示。在豎直平面內(nèi)小球做圓周運(yùn)動也有速度的限制，如圖所示，在地面上豎直平面內(nèi)，小球要做半徑為的圓周運(yùn)動，在最高點(diǎn)B需要的最小速度為，在最低點(diǎn)所需最小速度為，在最高點(diǎn)小球做圓由此可見小球在最低點(diǎn)的切向速度A如果小于&gR，那么小球就不可能做完整的圓周運(yùn)動。比較太空中和地面上，我們看到有太多的不同。太空中繞地球做勻速圓周運(yùn)動的天宮一號倉內(nèi)，小球受到的重力用于維持小球隨天宮一號繞地球做勻速圓周運(yùn)動的向心力。給小球一個切向初速度時，繩的拉力就是維持小球做勻速圓周運(yùn)動的向心力。如果切向初速度大，所需的向心力就大，繩拉小球的力就大。如果切向初速度小，所需的向心力就小，繩拉小球的力就小。在