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硬幣翻轉的力學分析

作者:陳奎任、柯景勛、王睿澤

指導老師:高銘宏

  本研究探討真實狀況下硬幣著地後的翻轉情況,考慮硬幣與桌面間為非彈性碰撞,探討其翻轉過程與機制,並找出在何種高度之上硬幣的翻轉具有公正性。發現硬幣翻轉時移動動能與旋轉動能的能量分配影響硬幣翻轉的公正性,而能量的分配與硬幣著地角度有關。

  利用數據模擬分析各種高度與著地角度下的翻轉情況,並與實驗數據比較,得出硬幣在不同高度區間對於翻轉的公正性,並求出硬幣最容易翻轉之角度區間。

結論:
一、2.4 公分以下硬幣不會翻轉;當高度介於2.5~2.8公分,硬幣雖可翻轉,但正、反面次數差距過大;當高度大於2.8公分時硬幣可翻轉,且近乎公正。
二、硬幣從地面彈跳到硬幣質心高度恰好等於硬幣半徑,所需要的時間為t1,而硬幣從與地面夾角θ到恰好立起的時間為t2,當t1>t2時硬幣會發生翻轉。且在碰撞後的能量分為移動動能與旋轉動能兩部分,只有在特定的能量分配下,硬幣才可以順利翻轉。
三、實驗後並用Tracker分析,得知著地角度與恢復係數、能量保留比例呈現正相關。
四、從模擬的數據計算硬幣翻轉所需的能量保留比例臨界值,再與實驗所得知能量保留比例推估值比較,得出硬幣最容易能夠翻轉的角度介於 35°~45° 。

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