实验探究：飞车走壁

摘要：探究物体在什么情况下才能作圆周运动的几个有趣的小实验！关键词：飞车走壁实验探究飞车走壁实验探究你看过杂技表演“飞车走壁”吗？看！那演员骑着摩托车飞驶在圆圆的大木桶壁上。那木桶是一个高米，底部直径9米，顶部直径米的“深井”，桶壁与地面成°角，几乎垂直。光滑的桶壁上似乎连一只小鸟也站不住，高速摩托车却在上边飞驶……飞车能在峻峭陡立的木壁上行驶，和它在做圆周运动有关系。为了揭开飞车走壁的秘密，我们不妨从常见的圆周运动谈起。我们时常看到一些物体在做圆周运动：钟表上的指针、在圆周跑道上奔跑的运动员。在这些常见的运动里，藏着些什么规律呢？首先，让我们研究一下物体在什么情况下才能作圆周运动。[实验1]用线绳拴上一个钮扣或者小螺母，用手捏住绳头让钮扣在空中作圆周运动。你会发现，钮扣能做圆周运动的原因之一是因为有绳拉着它。如果你一撒手，钮扣受不到拉力它就会飞走。很明显，没有作用在钮扣上的指向圆心的拉力，钮扣就不能做圆周运动。做圆周运动的物体受到的这个指向圆心的力，就是一种向心力。要是作圆周运动的物体失去了向心力会怎样呢？[实验2]在桌子上放一个小钢球或玻璃球。用一个透明玻璃杯罩在小球上，晃动杯子，使小球在杯子里面沿着杯口作圆周运动。当小球已经转起来的时候，很快把玻璃杯竖直向上提起。看！小球沿着杯口的切线方向照直跑了出去。为了更明显地看到小球的运动方向，你可以在桌面上铺上一张白纸，用铅笔把玻璃杯口的圆描下来，晃动玻璃杯（白纸跟着动），使小球在杯口运动。突然提起杯子，看！小球跑的方向就是这个圆的切线方向。杯子的内壁迫使小球做圆周运动，给了小球一个向心力。当你把杯子提起来以后，小球不再受到向心力，它便靠惯性沿直线运动，所以沿着圆周的切线跑出去了。任何做圆周运动的物体都是这样。工人用砂轮磨车刀的时候，火花总是沿着切线方向飞溅的。我们再来用小实验研究一下向心力的大小。［实验3］一段毛笔杆或竹笔帽，从中穿过一条尼龙线。尼龙线的一端拴一个软木塞，另一端拴上一把小铁锁。握住笔杆抡动木塞，使它做圆周运动。看！尼龙绳被拉直了。不断地加大转速，当转速大到一定程度的时候，小铁锁被拉上来了。如果加大软木塞的质量，小铁锁就更容易被拉上来了。为什么会出现“以轻举重”的有趣现象呢？转动的软木塞需要向心力，铁锁对绳子的拉力提供了向心力。软木塞转得越快，所需要的向心力越大，当大到一定程度时，便把小铁锁吊起来了。下雨的时候，如果慢慢旋转雨伞，水滴会随着雨伞做圆周运动，不会甩出来；如果加快旋转，快到一定程度，水滴和雨伞之间的附着力满足不了水滴作圆周运动所需要的向心力了，这时水滴就会靠惯性的作用被甩出去，沿着切线的方向飞走。这也说明，物体转得越快，需要的向心力越大。精确的实验证明：做圆周运动的物体所需的向心力和物体的质量成正比，和物体运动速率的平方成正比，和圆周的半径成反比。用F表示向心力，m表示质量，v表示速率，R表示半径，那么：看了这个公式，你是否会想到飞车走壁的情况：飞车的速度v相当大，v2就会大得惊人；木桶式墙壁呈圆周形，半径只有10米左右，也就是说，R相当小。看来，飞车走壁需要一个很大的向心力，这是为什么？我们不妨先研究一下骑自行车作圆周运动的现象。骑车拐弯时，人和车子总是要向弯道的内侧倾斜。要是骑自行车“飞车走壁”，那倾斜的现象就更明显了。骑车要拐弯，这就是改变运动的方向，就需要向心力。这向心力从哪儿来呢？骑车时，人和车会受到两个力：一个是重力，另一个是地面对车的支持力。在直线前进时，这两个力直上直下恰好平衡，当拐弯时，人体和车子向内侧倾斜了，重力和地面的支持力不再在一条直线上了，就产生了一个合力。这个合力是沿水平方向指向弯道内侧的。如果车子没有运动，这个合力就会使车子翻倒。车子向前运动，这个合力就起到向心力的作用，使车子转弯而不翻倒。路越弯，车越快，运动方向的改变就越快，需要的向心力就越大，车子向内倾斜得就越厉害，以便增大这个合力。倾斜的程度多大才合适，这是由骑车人自动调整的，是一种技巧。飞车走壁的道理也是这样，那车必须达到相当高的速度，车子才能倾斜得像立在壁上一样；若是速度突然变小，就会出危险。1961年，飞车大王蔡少武在上海表演时，当摩托车飞驶到8米高的陡壁时，突然“啪”的一