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溜溜球,玩轉角動量守恆的小玩具

溜溜球是小朋友喜歡的玩具。其實,溜溜球也是一個有趣的科學實驗哦!用細線纏繞在溜溜球的轉軸上,轉動溜溜球使溜溜球沿著細線攀昇。手放開後溜溜球沿著細線滾落,落至細線底端再沿著細線攀昇。為什麼溜溜球可以向上攀昇呢?
 
 
溜溜球是小朋友喜歡的玩具。其實,溜溜球也是一個有趣的科學實驗哦。用細線纏繞在溜溜球的轉軸上,轉動溜溜球使溜溜球沿著細線攀昇。手放開後溜溜球沿著細線滾落,落至細線底端再沿著細線攀昇。為什麼溜溜球可以向上攀昇呢?

當重力通過轉軸,力矩為零。張力產生的力矩使溜溜球沿逆時針方向轉動。溜溜球落至細線底端時,重力與張力均通過轉軸,力矩為零。在「旋轉椅」、「陀螺環」、及「磁浮飛碟」單元中,我們已介紹過慣性原理。依據慣性原理,若合力為零,則靜止物體保持靜止,平移物體以原速率沿原方向平移。若合力矩為零,轉動物體以原速率沿原方向轉動。溜溜球在細線底端所受力矩為零,因此繼續沿逆時針方向轉動,並沿著細線攀昇。

說得深入一些,溜溜球轉動時產生角動量。依據角動量守恆原理,若合力矩為零,物體角動量不變。因此溜溜球可沿原方向轉動,並沿著細線攀昇。此時細線張力移至轉軸的另一邊,細線張力產生的力矩使溜溜球轉速變慢。依據力學能守恆原理,溜溜球應可攀昇至原高度。然而細線與轉軸間摩擦力使溜溜球能量耗損,因此溜溜球無法攀昇至原高度。

資料提供

海洋大學光電科學研究所 周祥順 教授
E-mail:hschou@mail.ntou.edu.tw
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