猴子玩具空翻360°站稳的实验测量

发布时间：2021-02-15 15:39

　　对一种能空翻360°站稳的猴子玩具进行了实验测量。在实验测量中,用悬挂法测量了质心位置,复摆法测量了转动惯量,拉伸法测量了弹簧刚度。此外,还用数字图像相关法对猴子玩具的运动过程进行了测量。结果表明,通过实验测量结果与理论分析的相互印证,能更好地阐述猴子玩具运动的力学机理。该实验项目的开展有助于培养学生的实验和科研兴趣。 

【文章来源】：力学与实践. 2020,42(05)北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

悬挂法测量猴身的质心位置

图12(a)是猴子玩具整体质心C的坐标[xc,yc]在运动过程中的变化曲线，该坐标以图像左下角为原点。图12(b)是对质心坐标求导后得到的质心速度vcx和vcy的变化曲线。与图11(b)类似，也可从猴子玩具运动的四个阶段对图12(b)进行分析。3.2 讨论

图11(a)是测量得到的转角θ1和θ2的变化曲线，图中下横轴是图像序列，上横轴是时间(后图同)。图11(b)是对图11(a)中的转角变化曲线数值求导后得到的角速度ω1和ω2的变化曲线。经过分析，猴子玩具的运动可分为四个阶段，如图11(b)中所示：阶段1，ω1和ω2基本为零，此阶段猴子玩具站立于桌面，猴身缓慢前倾，弹簧被拉伸开来；阶段2，ω1和ω2迅速变化，其中ω1快速下落，ω2迅速上升，这对应着猴脚发生顺时针快速转动，也就是猴脚突然踮起的过程，与此同时，猴身发生逆时针转动，也就是猴身突然后仰的过程；阶段3，ω1和ω2基本相同且保持平稳，这对应着猴脚和猴身以相同的角速度在空中逆时针转动；阶段4，ω1和ω2突然跌落，并在振荡中逐渐趋于零，这对应着猴子玩具落回桌面，并在与桌面的碰撞过程中逐渐站稳。图11(b)还显示，从阶段2进入阶段3时，猴脚的角速度ω2发生了从负到正的大幅突变，该现象发生的原因，是由于该时刻猴脚上的弧形板撞上了猴身上的限位块，见图2(d)，由于猴身的转动惯量比猴脚的转动惯量大得多，因此碰撞使得猴脚的角速度ω2发生大幅突变，而猴身的角速度ω1虽然也有改变，但变化幅度较小，如图11(b)所示。实验观察还发现，从猴身处于直立状态算起，在进入阶段2之前，猴身转动过的角度约有30?。然而，图11(a)中显示θ2在阶段1中的变化只有约5?，造成这一差异的原因是由于相机的采图时间有限，为了捕捉猴子玩具的整个运动过程，相机是从猴身发生前倾一段时间之后才开始采集图像的。图12(a)是猴子玩具整体质心C的坐标[xc,yc]在运动过程中的变化曲线，该坐标以图像左下角为原点。图12(b)是对质心坐标求导后得到的质心速度vcx和vcy的变化曲线。与图11(b)类似，也可从猴子玩具运动的四个阶段对图12(b)进行分析。

【参考文献】：
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本文编号：3035104