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當輪子和路面的接觸點沒有相對運動時,即是沒有滑動 (slide)。情況像我們把一件物品放在一粗糙水平面上,你不去推它,不去拉它,只是輕輕從上放下它,沒有滑動(也沒有企圖去滑動)就把它升起,這是不需要摩擦去阻礙(oppose)甚麼運動的。

真實情況下,這個滾動的輪子最終也會停下來。有多個原因,其中包括

(i) 空氣阻力、(ii) 路面凹凸不平、(iii)輪子受它自己的重量影響而變形,

轉動時變形不斷改變,它的質心會上下跳動。(iv)...... 等

這些因素通稱為 rolling friction

在理論分析滾動(包括我這個 applet) 時,我們一般都忽略 rolling friction 。

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首先,我們要明白為甚麼球會走回來。

當用力將球擠出時,球會如下圖般平移(translation)和滾動(rotation)。

球與地面發生滑動 (sliding),球可從地面得到一向後的摩擦。這個摩擦令平移減速,亦令滾動減速。球會不會走回來,就看平動速度 v,或轉動速度 w,哪一個先減至零。

若球被擠出的平移速度不是太高,它就會先減至零。平移速度雖然是零,但滾動的方向令當時的摩擦仍然是向後的。摩擦使平移速度從零再減至負值(向後走)。

若把球盛滿了水,影響是

(a) 球的重量大了,球與地面的滑動摩擦 (sliding friction) 亦增大。 a = F/m,F 是滑動摩擦,與 m成正比。故平移滅速度與先前不變。

(b)

 

 

 

 

t = I a 。力矩與摩擦成正比,但轉動慣量 (moment of inertia) I 沒有因為球盛了水而大了很多:(1) 因為水的黏性(viscosity)小,所以當球滾動時,內裡的水只有很少部份跟球一齊滾動。(2) 另外實心球的 I 也比同質量的空心球的 I 小。

若 m 大了 k 倍。 t 也大了 k倍,但 I 大了遠遠沒有 k 倍。

換句話說,角減速度 a 增大了。

(c) 因為上述兩點,轉動速度就可能比平移速度先減至零。如是的,球就不會走回來。

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參考上圖,若球放在斜板可以不滾下,球的質心必須在垂直線 ABC上。原因是若要平衡,相對點 C 的總力矩必須是零。法向反作用力和摩擦力已經通過 C,垂直的重量 mg就 必須也要通過 C。

角 OCB 必是斜板與水平的傾斜角 q。 ABC 與圓心 O 的最短距離是 OB,即是 ABC 上任何一點與圓心 O 的距離必是大於 OB。

若這個不對稱的球的質心離開圓心的距離是等於或大於 OB,只要當這個球在放在斜板後稍轉動一些,就可以把質心移到 ABC 上,這個球就可以平衡不動。

但若質心離開圓心的距離小於 OB,球如何旋轉也沒法把質心放在 ABC 上,即是說球一定不可能平衡。

若質心離開圓心的距離是徑/的三份一,那麼只要 q 等於或小於 18.43度 (因為 tan 18.43 = 0.333),球就可以平衡,否則,球必會滾下。

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