你转过呼啦圈吗?你觉得呼啦圈好转吗?旋转的呼啦圈为什么可以对抗重力,不会掉下来呢?这次的活动能教你自己做个呼啦圈,并带你探索呼啦圈的重量和转动之间的关系。是重的呼啦圈好转,还是轻的好转?准备好活动活动筋骨,自己去寻找答案吧!
关键词
物理
速度
力
重量
重力
几何学
背景
人为什么能把呼啦圈转起来?这看似不可思议,其实却是许多种力共同作用的结果:人在套上呼啦圈转动腰部的过程中,对呼啦圈施加了一个向上的力,和一个叫做“转矩”的旋转的力。转矩是一种方向向外、弯曲的力,呼啦圈要转起来,必须依靠转矩的作用(说得更专业一点,有了力矩,呼啦圈才能够旋转,因为向心力全靠力矩)。呼啦圈的转动过程中还有一种力,那就是摩擦力。打个比方,一个在地上滚动的皮球终究都会停下来,这就是因为地面和皮球表面的摩擦力阻止了皮球的前进。两个面之间的摩擦力以及空气的阻力,都会减慢呼啦圈的转动。然而,如果没有摩擦力的话,呼啦圈也转不起来,因为正是摩擦力抵抗了呼啦圈自身的重力。那么,呼啦圈自身的重力又对它的转动有什么影响呢?
材料
·卷尺
·计算器
·PVC管切割器,如果找不到,老虎钳也可以
·直径一英寸、长约7.6米的PVC管(花鸟园艺市场和家用工具商店都有卖,实在找不到,我们还有万能的淘宝)
·能插进PVC管口的漏斗
·PVC膨胀插销,接头的孔径必须和PVC管的孔径配套
·电吹风机
·宽胶带
·沙子
·装沙子的桶
·定时器或秒表
·成年的帮手1
·成年人帮手2,作用是帮你测试制作的呼啦圈好不好转(可选)
准备工作
1 测量地板到转呼啦圈之人脐胸中点的距离,用作呼啦圈的直径。
2 用测得的直径,计算呼啦圈的周长,取π=3.14。
3 在大人的协助下,用PVC切割器切相应长度的管材。
4 管材的两端用插销接上。如果接头比较紧,不好插,先用电吹风加热管子的端口两分钟,然后再将插销塞进去。先插一端,插销插进去一半的长度,再把另一端的管子接到插销上。插销要全部插进管子了,不能中间露一截在外面。
5 接头处用一小段宽胶带缠一下。
6 用上面的方法复制一个一样的呼啦圈,但不同的是,在用插销连接两个管口之前,借助漏斗,加一杯沙子到管子里面去。
实验步骤
1 呼啦圈现在就能转起来啦!
2 先从轻一点的那个转起。
3 一个人(你自己或1号帮手)转呼啦圈,另一个人计时。计时从呼啦圈的转动稳定以后开始,数数一分钟之内他能够转几圈。如果无法持续转上一分钟,那么缩短计数时间到30秒。这个轻一点的呼啦圈好转吗,你一分钟能转多少转?
3 用重一点的那个呼啦圈重复一次,数一下一分钟你能转多少转?注意,转这两种不同的呼啦圈的时候要穿同样的衣服哦。哪种呼啦圈转的速度快一些?重的那个还是轻的那个?哪一个要好转一些?为什么会出现这样的情况?
4 呼啦圈是越重的转得越快,还是越轻的转得越快?转得快的呼啦圈是否也是更好转的那一个(一旦转起来了的话)?
5 如果你愿意的话,可以多试几次,看看会不会得到相同的结果。
6 如果还想搜集更多的数据,转呼啦圈的人可以和计时的人调换角色,再重复几次。换人之后,得到了什么样的结果?
试试看:两个呼啦圈大小相同,但重量不一样。你还可以再折腾一次,做几个大小不一的呼啦圈,小贴士在此:最小的呼啦圈,直径应当为从脚到肚脐的距离;最大的呼啦圈,直径应该是从脚到胸口的距离。试试看,呼啦圈的大小和转动的效果之间有什么关系?
再试试看:你可以把不同的重量和不同的大小搭配起来,多制作几个呼啦圈。呼啦圈的转速、重量和大小之间有没有一定的关系?有什么关系?
还能继续折腾:多换几件不同的衣服来转呼啦圈。衣服会影响你转呼啦圈的速度吗?这是否可以和摩擦力扯上关系?
观察和结果
呼啦圈越重,转动的速度是不是就越慢?转轻的呼啦圈容易累,还是转重一点的容易累?
装了沙子的呼啦圈当然比没装沙子的要重,在空中转动起来的时候,就越容易往下掉,转呼啦圈的人也因此要费上更大的力气,要连续转上30秒,感觉也会更困难。同样大的力量,用在一个更重的物体身上时,物理产生的运动的程度,要比一个更轻的物体的运动小。比较沉的那个呼啦圈,转起来可能要比轻的那个慢一些(重的那个一分钟大概能转6、70下,而轻一点的那个可以一分钟能转上100到120下),这也不绝对,取决与呼啦圈和转呼啦圈的人的具体情况。