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让我们考虑一个质量为 m 且半径为 R 的圆盘,其表面上还涉及摩擦力 u。当我们给这个圆盘一个方向上的起始速度 v 时,圆盘将朝那个方向移动并减速并停止。

如果圆盘在速度旁边有一个旋转(或旋转线垂直于表面旋转)w,那么圆盘不会在一条线上移动,而是弯曲。最后,线速度和角速度都将为 0。

如何计算这种条带/弯曲/拖动?是否可以为 X(v,w,t) 函数提供解析解,其中 X 将根据给定 t 处的初始 vw 给出磁盘的位置?

任何模拟提示也可以。我想,根据 w 和 m 以及 u,会有一个垂直于线速度的附加速度,因此磁盘的路径会从线性路径弯曲。

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如果您要对此进行模拟,我可能会建议将磁盘和桌子之间的接触面划分为径向网格。计算每个时间步长网格上每个点的相对速度和力,然后将力和扭矩(r 交叉 F)相加,得到整个圆盘上的净力 F 和净扭矩 T。然后,您可以应用方程 F=(m)(dv/dt) 和 T=(I)(dw/dt) 来确定下一个时间步的 v 和 w 的微分变化。

就其价值而言,我认为扁平圆盘不会在摩擦力(与速度无关)或阻力(与速度成线性比例)的影响下弯曲。

于 2009-03-12T01:54:31.470 回答
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球会随着自旋沿大弧线移动,但 2D 表面上的 [均匀] 圆盘不会。

对于圆盘来说,它的自旋中心与它的重心相同,因此没有施加扭矩。(正如 duffymo 所提到的,一个不均匀的圆盘会施加一个扭矩。)

对于一个均匀的球,如果旋转的轴不垂直于桌面,这会导致球经历一个旋转扭矩,从而使其以轻微的弧度移动。圆弧半径大,力矩小,通常摩擦使球很快停止。

如果有横向速度,球会沿着抛物线运动,就像一个落下的物体。扭矩分量(和圆弧的半径)可以按照与进动顶部相同的方式计算。只是球位于顶部的尖端(错误....)而底部是“虚构的”。

顶方程:http ://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/top.html

omega_p = mgr/I/omega

在哪里

omega_p = rotational velocity...dependent on how quickly you want friction to slow the ball
m = ball mass
g = 9.8 m/s^2 (constant)
r = distance from c.g. (center of ball) to center, depends on angle of spin axis (solve for this)
omega = spin rate of ball
I = rotational inertia of a sphere

我的 2 美分。

于 2009-03-12T01:39:38.247 回答
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我推荐牛顿运动定律的数值积分。画出圆盘的自由体图,给出系统的初始条件,并将加速度和速度方程及时积分。您有三个自由度:平面中的 x、y 平移和垂直于平面的旋转。因此,您需要同时求解六个 ODE:线速度和角速度的变化率、两个位置的变化率以及角旋转的变化率。

请注意:摩擦和接触会使圆盘和工作台之间的边界条件变为非线性。这不是一个小问题。

通过将圆盘视为点质量可以进行一些简化。我建议您查看凯恩的动力学,以便更好地理解物理学以及如何最好地阐述问题。

我想知道您想象的路径弯曲是否会发生在完美平衡的磁盘上。我还没有解决,所以我不确定。但是如果你拿一个完美平衡的圆盘并围绕它的中心旋转它,没有不平衡就没有平移,因为没有净力使它平移。在给定方向上添加初始速度不会改变这一点。

但是,如果磁盘不平衡,很容易看到会导致磁盘偏离直线路径的力。如果我是正确的,您必须在磁盘上添加不平衡才能看到直线弯曲。也许比我更优秀的物理学家可以参与进来。

于 2009-03-12T00:34:39.480 回答
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当你说摩擦你时,我不确定你的意思。通常有一个摩擦系数C,使得滑动物体的摩擦力F=C*接触力。

圆盘被建模为由围绕中心排列成圆形的一些点组成的单个对象。
为简单起见,您可以将圆盘建模为均匀填充点的六边形,以确保每个点代表相等的面积。

每个点的权重 w 是它所代表的磁盘部分的权重。
它的速度矢量很容易从磁盘的速度和旋转速率计算出来。
该点的阻力是减去它的重量乘以摩擦系数,乘以它的速度方向上的单位矢量。

如果一个点的速度变为零,它的阻力矢量也为零。
您可能需要使用大约为零的容差,否则它可能会一直抖动。

要获得磁盘上的总减速力,请将这些阻力矢量相加。

要获得角减速力矩,请将每个阻力矢量转换为围绕圆盘中心的角力矩,并将它们相加。

考虑到圆盘的质量和角惯性,这应该会产生线性和角加速度。

为了整合运动方程,请确保您的求解器可以处理突然的转换,例如磁盘停止时。
一个具有非常精细步长的简单欧拉求解器可能就足够了。

于 2009-03-12T02:10:50.653 回答