雲霄飛車與力學能守恆

小車沿著可以自己改形狀的軌道跑。看動能與重力位能互相轉換、總能卻始終不變;加上摩擦,看力學能變成熱能;移動位能零點、把小車帶到月球或木星,再找出自由小車要從多高出發才繞得過迴圈。

試試看:把「動摩擦係數 μ」調到 0.1,看熱能 Q 長條變長時,總能 E 變不變。

動能 K 重力位能 U 熱能 Q 總能 E 位能零點 能量水位

拖曳小車改變出發點,拖曳圓形把手改變軌道形狀,拖曳左邊的藍色標籤移動位能零點。用鍵盤:先選取畫面,按 Enter 選物件,再用方向鍵移動(Shift 移動得更多)。「能量水位」是小車把力學能全部變成位能時能到達的高度 \(y + v^2/2g\)。箭頭比例:速度每 1 m/s 畫 0.25 m,力每 1 mg 畫 1.5 m。

紀錄(每次出發記一列)

#車g (m/s2)μh0 (m)v最低點 (m/s)√(v02 + 2gh0) (m/s)熱能 Q結果

h0 是出發點比軌道最低點高多少;v最低點 是小車第一次經過最低點時量到的速率。

背後的物理

小車受兩個力:重力 \(m\vec g\) 與軌道的作用力。軌道的力分成垂直軌道的正向力 \(N\),與(有摩擦時)沿著軌道的摩擦力 \(f = \mu N\)。正向力永遠和速度垂直,不作功。由功能定理,只有重力(與摩擦力)會改變動能:

\[ W_{\text{gravity}} + W_{f} = \Delta K, \qquad W_{\text{gravity}} = -mg\,\Delta y = -\Delta U \]

沒有摩擦時,重力作的功正好等於位能的減少,所以軌道上任意兩點的力學能相等,與軌道形狀無關:

\[ \tfrac12 m v_1^{2} + m g y_1 = \tfrac12 m v_2^{2} + m g y_2 \quad\Rightarrow\quad v = \sqrt{v_0^{2} + 2 g h} \]

\(h\) 是小車下降的高度。質量消掉了,所以重的車與輕的車在同一高度速率相同。到了月球(\(g = 1.62\ \mathrm{m/s^2}\)),每一點的速率都變慢,但走的路線完全一樣,只是花的時間比較長。

位能零點可以自己選

只有位能的差才有物理意義。把零點放在高度 \(y_0\),位能 \(U = mg(y - y_0)\):所有的 \(U\) 與總能都差同一個常數 \(-mgy_0\),\(U\) 也可以是負的,但 \(\Delta U\)、速率與運動完全不變。

摩擦力把力學能變成熱能

動摩擦力 \(f = \mu N\) 永遠和運動方向相反。它減少的力學能變成熱能 \(Q\),總能不變:

\[ Q = \int \mu N\, ds, \qquad K + U + Q = \text{constant} \]

在彎曲的軌道上,正向力不是 \(mg\cos\theta\):其中一部分要提供轉彎所需的向心力 \(mv^2/r\)。以 \(\kappa\) 表示曲率(谷底為正、山頂為負、迴圈中為 \(1/R\)):

\[ N = m\left(g\cos\theta + \kappa v^{2}\right) \]

所以小車快速通過谷底時被用力壓向軌道(那裡摩擦生熱也較多),越過山頂時則比重量輕。小車停在夠平緩的地方(\(\tan\theta \le \mu\))時,摩擦力會讓它停在那裡。

繞過鉛直迴圈

半徑 \(R\) 的迴圈頂點,軌道只能往下推自由小車(\(N \ge 0\)),所以至少要讓重力單獨就能提供向心力:\(mv_{\text{top}}^{2}/R \ge mg\)。配合由迴圈底部以上高度 \(h\) 靜止出發的能量守恆:

\[ v_{\text{top}}^{2} = 2g(h - 2R) \ge gR \quad\Rightarrow\quad h \ge \tfrac52 R, \qquad \frac{N_{\text{top}}}{mg} = \frac{2h}{R} - 5 \]

若 \(R < h < 2.5R\),自由小車會在 \(N\) 降到 0 的地方離開軌道,那裡比迴圈底部高 \((R + 2h)/3\),之後變成拋體。軌道車的輪子夾住軌道兩側,軌道也能把它往內拉,所以不會掉下來。比較迴圈底部與頂點(無摩擦)可得 \(N_{\text{bottom}} - N_{\text{top}} = 6mg\),與速率無關。

觀察重點

模擬方法

參考資料