地铁怎么运动的?
这个简单,先放结论,再讲道理。 结论就是,地铁沿着一条假想的直线前进,并且会不停的改变速度与方向。道理也很简单,就是把地铁和大地看成一个整体,利用牛顿定律来求解整体的加速度即可得出答案。这里为了计算的方便,不做动量守恒以及力矩的分析(其实这也是可以做到的),只考虑重力、支持力、向心力、磁铁的吸引力以及摩擦力的作用。
以图所示的装置进行受力分析,小球的重力G,轨道对球的支持力N,磁场对球的作用力F,静摩擦力和动摩擦力f。 其中支持力 N=mg,根据牛二律得 F+f=ma 而 a=(v^2-v0^2)/t 所以只要知道各个物理量的值就可以得到运动的小球的加速度。
当然这是理想情况下的,实际要复杂一些,需要把整个系统看作一个总体来考虑,但是原理是一样的。 下面来说说具体的计算过程。
首先,把地轨当作一个总体,它所受的重力等于系统总质量乘以 g;支持力等于总质量除以 l;而向心力是由磁力提供的,也就是 bv0/l ;另外还要考虑静摩擦力,因为这里的结构是光滑的,所以静摩檫力可以用 μmg来计算;最后还要考虑由于车体的存在使得空气阻力和轮子的转动产生的阻力,这两个因素比较复杂,这里为了计算简便就忽略不计了(实际上也可以加入进来,问题不大)。
这样我们就可以写出关于a 的方程,通过给定初条件(这里的初条件可以给定 v_0 和 m )就可以解出 a 。 然后我们来谈谈这个问题是否具有现实意义。首先,我们研究的对象是地球表面附近的物体,因此重力加速度 g 就可以认为大小为 10m/s^2 。其次,要使这个小球能够做接近完美的圆形运动,就需要提供不断的向心力,而这种向心力只能是磁场的吸引力所提供的。
现在的问题就是如何获得一个稳定的磁场,同时保证足够的吸引力。这个问题比较复杂,我也没有太好的方法,暂时只能想到用线圈产生电磁场。希望有大神可以提供更好的办法!!! 如果这个题目让你有所启发,请不吝点赞关注!!!