乒乓球发射机原理?
其实这个很简单,主要涉及的知识是 力矩(M)、弹力(F)、转动惯量(J)这些物理量在动力学中的意义。 首先明确一点,发球机上旋转的圆盘(球拍)并不是一个实际的“球”,它产生的运动其实不是“摆动的”而是“回旋的”。因为实际上的球是有一定质量的,而发球机的这个圆盘质量可以忽略不计(不然也不会用发球机了)。 所以发球机实际上是在做一个类似 这样的运动——以角速度ω顺时针旋转的同时,还受到一个沿反之方向的力 F,这样就会产生一个合力矩 M=F*r,其中r是圆盘半径。 根据牛顿定律,会产生一个反向的加速度a,使得圆盘的线速度v逐渐减小直至为零,同时产生一个切向的动量,从而使圆盘产生一个径向的位移u1,如图1所示。 当圆盘径向位移达到最大值时,切向加速度也会达到最小值,此时动能最小,也恰好没有多余的质量能够形成往复的运动,所以是最合适发力的时候,也是最容易出球的时刻。
为了更直观地展示整个过程,可以用一个简化模型来模拟这个过程[1],假设:
1. 圆盘中心位置有一个弹簧,弹簧具有弹性势能E_k;
2. 圆盘质量m,对轴心受力点O有转动惯性I_o;
3. 球拍宽度d;
4. 拍肩长度l_0,从O至拍肩距离为l;
5. 空气阻力系数C_{drag};
6. 重力加速度g。 这时根据运动学定律就可以得到v与t之间的关系,并且通过微分得到a与t的关系。最后结合M=F*r可以得到 F=\frac{M}{r}=\frac{M}{(\omega L)^2}\cdot \frac{\omega^2}{g} 其中L=\sqrt{l^2+l_0^2-2ll_0\cos(theta)} ,θ是圆盘中心与受力的O点之间角度。 这样就把力和速度之间的关系建立了起来。如果给定M和ω,就可以解出F,然后利用牛顿第二定律就能知道整个过程中各物理量的变化情况。最终的结果当然是复杂的非线性方程组,需要编程实现。不过可以通过一些近似方法得到相对简单易于表达的表达式。比如当M很小时,可以把M看做常数并略去不记,这样得到的表达式就相当简单了。
另外如果考虑摩擦力的话就会比较复杂,因为这会产生一个阻尼效应,会使整个系统趋于稳定,最终速度会减小到零,但是不会停止不动,这时的运动是带有衰减的振动。