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跳躍圈躍起與滑動的力學條件分析

作者:許廷聿、卓躍程、陳風

指導老師:高銘宏

  本研究探討跳躍圈躍起與滑動的條件。首先以剛體力學理論導出平面與斜面上跳躍圈躍起的條件,我們利用圓環並以強力磁鐵當作加掛重物,在平面與斜面上進行實驗,實驗後使用 Tracker 進行分析,確定跳躍圈躍起的條件 𝛾 ∙ 𝑎𝑐 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜙 >與實驗數據符合。

  此外在影片中發現跳躍圈在躍起前會從純滾動變為滑動,之後以剛體力學理論導出了斜面上跳躍圈從純滾動變為滑動的條件,之後使用Tracker進行分析,確定實驗數據與理論公式相符。

實驗結果與討論:
(一) 得到跳躍的條件為 
𝛾 ∙ ac ∙ cosϕ > gcosθ 破壞純滾動,改為滑動的條件:f > μN,其中摩擦力 f = −mAgRsin(θ +ϕ)+ [mhgsinθ+mAgsinθ+mARω^2‧sinϕ+mAgRsin(θ+ϕ) ]/2
(二)、(三) 我們將 v、ω、v/ω、γaccosϕ

對時間的函數關係畫在同一張圖中
1、跳躍圈從純滾動轉變為滑動的時間為5.67秒,在5.67 秒之前跳躍圈的運動為純滾動,故
符合 
V = R ∙ ω 的公式,也可看出速度與角速度度隨著時間等比例增加。
2、在5.93秒與6.07秒之間歷經減速度過程,此段過程是由離心力所造成,與純滾動轉變為滑動無關。
3、在6.33秒時,
𝛾 ∙ ac ∙ cosϕ > gcosθ,此時跳躍圈跳躍離開地面。

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