悠悠球中的物理知識

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號： 1673-1875(2009)09-168-01

YO-YO，又叫“悠悠球”或“溜溜球”，是一種很受兒童甚至青年人的喜愛的益智玩具。它主要由轉(zhuǎn)輪及一條系在軸上的長繩子組成，轉(zhuǎn)輪有兩個球瓣，用一根軸相連，能憑借繩子上下滾動。悠悠球根據(jù)其構(gòu)造不同，可分為三大類型，即整體形、離合型和軸承型，不同的類型具有不同性能，適合各種不同玩法。悠悠球中蘊(yùn)含著豐富的物理知識。

一、功與能的應(yīng)用

用力將悠悠球（以下簡稱為“球”）甩出，人對球做功，人體的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為球的動能。如果持繩頭的手不動，那么繩子對球的拉力并不對運(yùn)動的球做功，球在下降階段，重力對球做功，球的重力勢能減少，動能增加，轉(zhuǎn)速變大；當(dāng)球落到最低處時，轉(zhuǎn)得最快，動能達(dá)到最大值，勢能值最??；球在上升階段，重力對球做負(fù)功，球的重力勢能增加，動能減少，轉(zhuǎn)速減小；由于摩擦力和空氣阻力做功，機(jī)械能不守恒，一部分機(jī)械能被轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，球不能自由上升到原有高度。要想球上到繩頭位置，辦法有兩個：一是以一定的速度擲出，給球一個初動能；二是球在最低處時，把繩頭往上拉一下，增加其機(jī)械能，類似于蕩秋千。兩種方法一起使用，效果更佳。

二、力學(xué)方面應(yīng)用

1、平衡

旋轉(zhuǎn)具有穩(wěn)定性。高速旋轉(zhuǎn)時，物體由于轉(zhuǎn)動慣量(慣性)，而能保持軸向穩(wěn)定。且轉(zhuǎn)速越高，穩(wěn)定性越好。如高速旋轉(zhuǎn)的陀螺能站立、快速行駛的自行車能放雙手、地球由于自轉(zhuǎn)而保持軸向穩(wěn)定等。

2、摩擦力的運(yùn)用

改善接觸面：球瓣的內(nèi)側(cè)靠近軸承處有一圈鋸齒樣的凹凸星紋（或膠貼、膠圈、硅膠、孔），這是為了增大摩擦系數(shù)，有利于收球時繩貼住球瓣而減少打滑。急促拉繩時，球就會回頭，拉繩動作停止的那一瞬間，旋轉(zhuǎn)的球就會升高，松松的繩子易貼著球瓣，使球攀住繩子向上爬。在軸承中加注潤滑油，是為了減少摩擦。

增大壓力：玩家往往故意把膠貼去掉或把凸紋磨平一些，以減少摩擦，增加空轉(zhuǎn)時間，但這樣做會使得回收難度增加，其解決辦法是：做一個睡眠動作，繞過左手食指，讓球搭在左右手之間的線上，右手提繩同時左手食指放繩，則球瓣間繩子一下出現(xiàn)二至三重，形成繩團(tuán)，側(cè)向壓力劇增，大幅提高了摩擦力，使繩附在輪上而達(dá)到收球目的。

變滑動為滾動：采用軸承是為了減少摩擦；利用滾珠軸承替代尼龍軸承，是以滾動摩擦代替滑動摩擦，有效地減少摩擦阻力，使空轉(zhuǎn)時間更長。

3、力矩

若以繩與球相切的點(diǎn)為支點(diǎn)研究球的轉(zhuǎn)動，球的重力力矩因繩纏繞半徑而變化，其力臂等于繩的纏繞半徑，球下降過程中重力的力矩減小，上升時則重力矩變大，當(dāng)球在最低點(diǎn)時，重力的力矩為零。

4、超重與失重

球加速下降或減速上升時，繩的拉力小于球的重力，球處于失重狀態(tài)；球減速下降或加速上升時，繩的拉力大于球的重力，球處于超重狀態(tài)。

5、離心運(yùn)動

離合型球的空轉(zhuǎn)和自動復(fù)歸，歸功于球瓣內(nèi)的離合器。在高速旋轉(zhuǎn)時，離合器上的金屬球因離心運(yùn)動，使離合器卡張開，成為空轉(zhuǎn)狀態(tài)，減速時，由于彈簧力比金屬球所需的向心力大，離合器閉合，使轉(zhuǎn)軸與球瓣成為一體，悠悠球自動上卷回收。

6、平動與轉(zhuǎn)動

球上升或下降過程中既有平動又有轉(zhuǎn)動，當(dāng)繩頭不動時，球的平動速度大小等于球轉(zhuǎn)動時繩切點(diǎn)處的線速度(V=ωr)大小。

7、慣性

在球重量、直徑相同的條件下，外環(huán)越重的球，空轉(zhuǎn)強(qiáng)度越強(qiáng)。有的球使用金屬外環(huán)，或加入橡膠加重圈，就是為了增加其轉(zhuǎn)動慣性（轉(zhuǎn)動慣量），使它穩(wěn)定性更好，空轉(zhuǎn)時間更長。

三、聲音的應(yīng)用

干枯的軸承或清洗后的軸承，可以產(chǎn)生一種“沙沙”響的音響效果，球轉(zhuǎn)速越快，聲音越大而急促（即響度大、音調(diào)高）。若在軸承中加注潤滑油，則響聲大為減少。

四、光學(xué)知識的應(yīng)用

有種會發(fā)光的球，是利用一只個發(fā)光二極管發(fā)光。轉(zhuǎn)速較慢時，只看到一光點(diǎn)做圓周運(yùn)動。轉(zhuǎn)速較快時，看到的卻是一個光環(huán)，這是由于人眼視覺漸留的原因。

五、電學(xué)知識的應(yīng)用

離心自動開關(guān)：會發(fā)光的悠悠球，其中一個球瓣內(nèi)有一塊電路板如圖。該電路由一端固定的彈簧和一塊金屬片作為觸發(fā)開關(guān)，當(dāng)球高速旋轉(zhuǎn)時，彈簧的自由端做離心運(yùn)動，接觸金屬塊，電路因此而接通，二極管發(fā)光或音響器發(fā)出聲音；當(dāng)轉(zhuǎn)速較慢或停止時，彈簧復(fù)位，電路切斷。

參考文獻(xiàn)：

[1]白水.超級悠悠球[M].外語教學(xué)與研究出版社