问题

用绳子水平匀速转动一个球,我耗的能量哪里去了?

回答
这个问题非常有意思,我们来好好掰扯掰扯。

当你用绳子水平匀速转动一个球时,你感觉到自己在用力,而且这个力持续不断。那么,你耗费的这股能量,去了哪儿了呢?

首先,要让球保持运动,就得跟它“对着干”,跟它“说句话”。这个“说句话”的过程,就是你通过绳子施加的力。球在转动,但它不是随意地飘在空中,它是在围绕一个中心点转。这意味着,总有一个看不见的“拉力”在把球往中心拉,让它不至于飞出去。这个拉力,就是绳子提供的,我们称它为“向心力”。

但是,你说的是“匀速转动”,这就意味着球的速度大小是不变的。如果速度不变,它似乎不需要能量来“加速”啊?没错,如果你只是想让它开始转起来,那确实需要一个初始的加速过程。但一旦它已经有了速度,而且你希望保持这个速度,你就得持续提供这个向心力。

能量,说白了就是做功的能力。你在这里做的功,是用来对抗球想要“逃离”这个旋转状态的趋势。球本身有一个惯性,它总是想保持它当前的运动状态,要么是静止,要么是沿着直线匀速运动。当你强行让它改变运动方向,让它沿着圆周运动时,你就必须时刻“纠正”它,拉着它往圆心方向走。这个“纠正”的过程,就是你通过绳子做的功。

那么,你耗费的能量,到底变成什么了呢?

一部分能量,不可避免地会变成热量。你想想,绳子在你手里,球在你手里,它们在不停地运动,尤其是在空气中。空气会阻碍球的运动,产生空气阻力,这就像你跑得时候会感觉到风的阻力一样。这种阻力会让球损失一部分动能,转化为热能。你手里的绳子也在晃动,绳子和空气摩擦,也会产生热量。虽然我们感觉不到发烫,但微小的热量积累起来,就是能量的消耗。

另外一部分更重要的能量消耗,其实是用来维持向心力。即便球是匀速转动的,它一直在改变方向。每时每刻,球的速度方向都在变化。你拉着绳子,就是要不断地提供一个指向圆心的力,来改变球的速度方向。你做的这个功,并没有让球的动能(速度大小)增加,而是被用来“弯曲”了球的运动轨迹。我们可以理解成,这部分能量被“存储”在了球的旋转状态里,但因为你一直在做功,你持续地“供应”着这种被弯曲的运动。

打个比方,就像你推着一辆自行车,让它在原地绕着一个桩子转圈。你不推它,它就停了。你推一下,它就动一点。你保持稳定的速度推,就需要你持续不断地输出力气。这力气,一部分是被路面和轮胎的摩擦变成热量散掉了,另一部分就是你把这个“绕圈”的状态维持住,也就是你持续做的功。

所以,你耗费的能量,主要就是两部分:一部分是因为与环境(主要是空气)的摩擦而产生的热量,另一部分则是用来维持球的旋转状态,也就是克服它想要沿直线飞出去的惯性,不断地提供向心力。这部分能量并没有让球“加速”,而是“塑形”了它的运动轨迹。

你之所以会感觉到累,就是因为你身体的化学能,通过肌肉的收缩,转化成了机械能,然后一部分用在了对抗空气阻力变成热,一部分用在了拉着绳子让球改变方向。这个过程,就是能量的转化和传递。虽然球的速度没变,但它的运动状态(方向)在变,这就需要你持续地“出力”。

网友意见

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我觉得这种问题可以这样来考虑。


根据牛顿第二定律,任何物体不可能在受力的情况下不产生位移。就算是地球绕着太阳转,产生的离心力也会把太阳扯出位移,所以日地系统是绕着共同的质心转动,而不是太阳保持绝对静止。


所以,你的手指头不可能绝对静止,你必须无时无刻的调整和使用反向的力来补偿位移。


就算你的手指头是固定在一个房子里面的杆子,当球旋转的时候,不受外力作用的时候我们也能看到房子因为球在里面旋转而产生圆周运动。


这是第一个问题,圆周运动中的圆心不是绝对静止的。



第二个问题,静摩擦力是否做功。我们用汽车拉一个很重的箱子,拉不动的时候汽车没有做功吗?这是不可能的,要不你给我解释下我的油哪去了?

所以静摩擦力肯定做功了。还是根据牛二,只要施力不可能不产生位移,那么为什么我们观察不到位移,那是因为位移太小,但不可能不存在。汽车拉箱子的时候箱子必然产生了位移,只是位移太小看不到。

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