ล้อต้านแรงโน้มถ่วง?
ดังนั้นฉันแค่ดูวิดีโอ YouTube บางรายการบนวงล้อหมุนที่ดูเหมือนจะ "ต่อต้าน" แรงโน้มถ่วง ครีเอเตอร์ได้สร้างวิดีโอ 2 รายการโดยรายการแรกแสดงวงล้อและวิดีโอที่สองพยายามอธิบาย มีชื่อของวิดีโอ:
? ล้อต้านแรงโน้มถ่วง? โดย Veritasium
"ล้อต้านแรงโน้มถ่วงอธิบาย"โดย Veritasium
มันเป็นวิดีโอที่สองโดยเฉพาะที่รบกวนจิตใจฉัน ดูเหมือนว่าเขาสามารถยกล้อขึ้นเหนือศีรษะของเขาในขณะที่มันหมุนและหมุนได้อย่างง่ายดาย แต่เมื่อมันไม่หมุนหรือ precessing เขาก็ต้องดิ้นรนเพื่อยกน้ำหนักขึ้นเหนือศีรษะ เขาอธิบายสิ่งนี้ว่าล้อ "ยกตัวเอง" ขึ้นในขณะที่เขาบังคับให้ล้อหมุนเร็วกว่าการถดถอยตามธรรมชาติ แต่ฉันไม่เข้าใจคำอธิบายนี้จริงๆ สำหรับฉันแล้วดูเหมือนว่ามันละเมิดกฎข้อที่สองของนิวตันซึ่งระบุว่าแรงภายนอกทั้งหมดที่มีต่อระบบ (ล้อในกรณีนี้) เท่ากับมวลรวมคูณด้วยความเร่งของศูนย์กลางมวล ตอนนี้จุดศูนย์กลางมวลของล้อสูงขึ้นอย่างชัดเจนซึ่งหมายความว่าต้องมีแรงภายนอกยกขึ้น ดังนั้นล้อจึงไม่สามารถยก "ตัวมันเอง" ได้เพราะนั่นไม่ใช่แรงภายนอกเป็นเพียงแรงภายใน
ฉันคิดว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเพราะแรงแมกนัส (แรงภายนอก) นั่นจะอธิบายได้ว่าทำไมน้ำหนักรวมของเขาจึงไม่เปลี่ยนแปลงมากนักเมื่อล้อยกขึ้น แต่นั่นไม่ใช่คำอธิบายที่ให้ไว้ในวิดีโออย่างชัดเจน แล้วอะไรคือคำอธิบายที่ถูกต้องสำหรับปรากฏการณ์นี้?
คำตอบ
ฉันยอมรับว่าความพยายามในการอธิบายที่นำเสนอโดย Veritasium (Derek Muller) นั้นไม่น่าเชื่อถือ
ตอนนี้ไม่ตรงไปตรงมาที่จะทำให้การเคลื่อนไหวของการยกล้อที่ไม่หมุนเหมือนกับการยกล้อหมุน ในกรณีของวงล้อหมุนจะมีการกำหนดอัตราการลดลงของระยะก่อนซึ่งจะกำหนดจังหวะของลิฟท์ Derek รักษาเท้าของเขาไว้บนพื้นเขาไม่ได้ขยับร่างกายให้ตรงกับแนวของบาร์ดังนั้นน้ำหนักจะเลื่อนไปที่กลุ่มกล้ามเนื้อไหล่ของเขาในขณะที่เขาเดินผ่านลิฟต์
แน่นอนว่าแรงที่ต้องใช้ในการยกล้อหมุนจะต้องเท่ากับแรงที่ต้องใช้ในการยกล้อที่ไม่หมุน
(การตรวจสอบการทดลองนั้นค่อนข้างยุ่งยากจริงๆฉันเคยเห็นวิดีโอของคนที่สร้างการตั้งค่าบนโต๊ะโดยใช้ไจโรสโคปปกติการอ่านค่าการวัดของเขาหมุนขึ้นและลงเล็กน้อยเขาต้องเฉลี่ย Derek ลองใช้วงล้อขนาดยักษ์นั้น แต่การตั้งค่าที่เขาใช้นั้นไม่เสถียรเพียงพอ)
อย่างไรก็ตามการคาดเดาที่ดีที่สุดของฉันคือในการยกวงล้อหมุนแขนของ Derek นั้นเคลื่อนที่โดยสัมพันธ์กับร่างกายของเขาโดยเปลี่ยนภาระจากกล้ามเนื้อไปเป็นกล้ามเนื้อในขณะที่ในการยกอื่น ๆ เขาแค่ฆ่ากล้ามเนื้อเฉพาะส่วนหนึ่ง เขาควรจะพยายามเลียนแบบการเคลื่อนไหวแบบนั้นด้วยบาร์เบลสำหรับการยกด้วยมือเดียว
ฉันเพิ่งลองใช้บาร์เบลสำหรับยกด้วยมือเดียว การยกด้วยแขนขวาฉันยังคงหมุนบาร์เบลตามเข็มนาฬิกา การยกบาร์เบลทำได้ด้วยวิธีนั้น จากนั้นฉันก็พยายามยกแขนขึ้นโดยทำมุมที่คงที่กับลำตัว นั่นยากกว่าอย่างเห็นได้ชัด การคาดเดาที่ดีที่สุดของฉัน: ที่มุมแนวนอนที่แตกต่างกันกับร่างกายของคุณต้นแขนของคุณมีมุมแนวตั้งที่แตกต่างกันของการงัดที่เหมาะสมที่สุด คงจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งของสิ่งที่แนบมากับกล้ามเนื้อ เห็นได้ชัดว่ามันเกิดขึ้นที่การหมุนใช้เส้นทางที่คุณมีเลเวอเรจที่ดีตลอดแนวยก ในทางกลับกันหากคุณพยายามยกโดยใช้แขนในแนวนอนที่คงที่กับร่างกายของคุณคุณจะต้องทำมุมแนวตั้งด้วยแรงงัดที่ไม่ดีอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
ข้อสังเกตเพิ่มเติม (3 ชั่วโมงหลังจากการส่งคำตอบครั้งแรก):
Derek Muller กล่าวถึง: ถ้าคุณมีวงล้อไจโรสโคปที่มีแกนหมุนในแนวระนาบ (ดังนั้นคุณจะได้รับแรงบิดจากแรงโน้มถ่วง) เมื่อคุณดันเพื่อให้ล้อ a ส่วนเกินที่อยู่เหนือการเคลื่อนที่ก่อนการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติล้อจะไต่ขึ้น (ในทางกลับกันเมื่อคุณดันไปตามการเคลื่อนที่แบบ precessing ตามธรรมชาติวงล้อจะเคลื่อนลงมา) Derek เสนอคำอธิบายที่เป็นไปได้ว่าทำไมจึงรู้สึกว่าการยกล้อหมุนนั้นยากน้อยกว่า
คำอธิบายที่แนะนำนี้ใช้ไม่ได้ สาเหตุ: ในทันทีที่คุณหยุดผลักสิ่งนี้จะเกิดขึ้น: อัตราการหดตัวของล้อจะกลับไปที่อัตราการหดตัวตามธรรมชาติ นอกจากนี้หาก Derek ไม่ผลักดันเลยหากเขาปล่อยล้ออย่างน่ากลัวล้อก็จะเข้าสู่อัตราการหดตัวตามธรรมชาติด้วยตัวมันเอง
โดยรวม: แขนดันของ Derek สามารถช่วยแขนยกได้เล็กน้อย แต่ความช่วยเหลือนั้นจะหยุดลงเมื่อแขนดันปล่อย เมื่อถึงจุดนั้นวงล้อยังอยู่ต่ำกว่าระดับข้อศอกของ Derek
บังเอิญข้อผิดพลาดนี้ไม่เกิดขึ้นเองมีวิดีโออื่นของ Derek เกี่ยวกับการหดตัวของไจโรสโคปที่มีข้อผิดพลาด
วิดีโอเกี่ยวกับการหดตัวของไจโรสโคป2:47 ลงในวิดีโอ
จะเกิดอะไรขึ้นถ้าฉันปล่อยมันไปหลังจากที่ฉันหมุนวงล้อจักรยานได้ดีแล้วในกรณีนั้นล้อจักรยานจะมีโมเมนตัมเชิงมุมด้วยวิธีนี้อยู่แล้วดังนั้นแรงบิดที่ผลักไปทางนั้นจะทำให้โมเมนตัมเชิงมุมหมุนไปในทางนั้น
(เพื่อหลีกเลี่ยงความเข้าใจผิด: Derek ไม่ใช่คนเดียวที่อ้างสิทธิ์นี้การอ้างสิทธิ์ไม่ได้มาจากเขา)
ข้อเสนอแนะคือแรงบิดจากแรงโน้มถ่วงจะถูกเปลี่ยนเส้นทางที่ก่อให้เกิดการหมุนควงแทนของการเร่งความเร็วลง ปัญหาคือ: ถ้าเป็นเช่นนั้น precession จะเร็ว แรงที่ยั่งยืนทำให้เกิดความเร่ง แต่อย่างที่เราทราบ: เมื่อพิจารณาจากอัตราการหมุนของล้อโดยเฉพาะและแรงบิดที่เฉพาะเจาะจงจะมีอัตราการหดตัวคงที่ที่สอดคล้องกัน ดังนั้น: ข้อเสนอแนะที่ว่าแรงบิดจากแรงโน้มถ่วงกำลังถูกเปลี่ยนเส้นทางเป็นการละเมิดกฎการเคลื่อนที่
สำหรับการอภิปรายเกี่ยวกับกลศาสตร์ของไจโรสโคปพรีเซสชั่นโปรดดูคำตอบในปี 2555 ของฉันคำถามมีชื่อว่าอะไรกำหนดทิศทางของการหมุนของไจโรสโคป