圆锥摆:在 HSC 物理中分解张力与重量
学习如何分解水平圆周运动中质量所受的张力与重量,并把力的方程式与半径、速率、角度及周期联系起来。
一个质量连在绳子上,沿著完全水平的圆周摆动。尽管重力一直向下拉著它,它的高度仍然保持不变。
所以问题来了:如果这个质量没有垂直加速度,是甚么阻止它下坠?而且,如果绳子是倾斜的,究竟是哪个力使质量沿圆周转动?
继续阅读之前,先预测一下:绳子的张力是否等于向心力?
不是。这个看似合理的想法,正是这个模型中大多数错误的来源。
01一个张力同时有两个作用
想像从侧面观察这个质量。绳子从质量的位置斜向上延伸至固定支点。
作用在质量上的力只有两个:
- 它的重量 \(mg\),垂直向下
- 张力 \(F_T\),沿绳子指向支点
并不存在一个独立、称为「向心力」的力。向心力是指指向圆周路径中心的合力。如果这个分别仍不清楚,可参阅 向心力:如何在 HSC 物理中辨认真正的力。

假设绳子与铅直方向的夹角为 \(\theta\)。
张力沿斜向作用,因此可以把它分解成两个互相垂直的分量:
- \(F_T\cos\theta\),垂直向上
- \(F_T\sin\theta\),水平指向圆心
垂直分量防止质量下坠。水平分量则使它转弯。
这有点像用向上倾斜的拉杆拉动有轮子的行李箱。同一个拉力可以同时具有向上的分量和向前的分量。不过,这个类比到此为止,因为行李箱还受到地面的作用力,而我们的质量只受到张力和重量。
02先从加速度开始,而不是从力开始
「水平圆周」这个描述告诉你一个关于加速度的关键资讯。
质量并没有向上或向下运动。因此,它的垂直加速度为零。
但它的水平速度方向持续改变,所以它具有指向圆心的向心加速度:
\[ a_c=\frac{v^2}{r} \]
其中:
- \(a_c\) 是向心加速度,单位为 \(\text{m s}^{-2}\)
- \(v\) 是速率,单位为 \(\text{m s}^{-1}\)
- \(r\) 是水平圆周的半径,单位为米
现在可以分别在垂直和水平方向套用牛顿第二定律。
| 方向 | 加速度 | 力的方程式 |
|---|---|---|
| 垂直 | \(0\) | \(F_T\cos\theta=mg\) |
| 水平向内 | \(\dfrac{v^2}{r}\) | \(F_T\sin\theta=\dfrac{mv^2}{r}\) |
这一对方程式就是这个模型的核心。
注意它们在物理意义上所表达的内容。并不是整个张力都用来产生向心加速度。只有它的水平分量有这个作用。
03为甚么张力大于向心力
一个常见的初步做法是
\[ F_T=\frac{mv^2}{r} \]
但对上面所示的倾斜绳子而言,这不可能正确。
如果整个张力都用在水平方向,就不会有向上的力来平衡 \(mg\)。质量会向下加速,因此它的路径不可能维持在同一个水平面上。
正确的是
\[ F_T\sin\theta=\frac{mv^2}{r} \]
以及
\[ F_T\cos\theta=mg \]
因为 \(F_T\) 必须同时提供这两个分量,
\[ F_T=\sqrt{\left(\frac{mv^2}{r}\right)^2+(mg)^2} \]
所以 \(F_T\) 同时大于 \(mg\) 和所需的水平向心力。
还有另一个很有用的关系。把水平方程式除以垂直方程式:
\[ \frac{F_T\sin\theta}{F_T\cos\theta} = \frac{mv^2/r}{mg} \]
因此
\[ \tan\theta=\frac{v^2}{rg} \]
质量会约去。对于指定的速率和半径,改变质量不会改变所需的角度,但会改变张力。
例题:求张力和绳子的角度
一个 \(0.40\ \text{kg}\) 的质量以 \(2.5\ \text{m s}^{-1}\) 的速率沿半径 \(0.75\ \text{m}\) 的水平圆周运动。求绳子的张力,以及绳子与铅直方向的夹角。取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
步骤 1
\[ \frac{mv^2}{r} = \frac{(0.40)(2.5)^2}{0.75} = 3.33\ \text{N} \]
所以张力的水平分量为 \(3.33\ \text{N}\)。
步骤 2
\[ mg=(0.40)(9.8)=3.92\ \text{N} \]
因此,
\[ F_T\cos\theta=3.92\ \text{N} \]
步骤 3
\[ F_T = \sqrt{(3.33)^2+(3.92)^2} = 5.15\ \text{N} \]
步骤 4
\[ \tan\theta = \frac{3.33}{3.92} \]
\[ \theta=40.4^\circ \]
因此,张力为 \(5.15\ \text{N}\),而绳子与铅直方向的夹角为 \(40.4^\circ\)。
这个结果在物理上是合理的。张力必须大于 \(3.92\ \text{N}\) 的重量,因为部分张力还需要把质量水平向内拉。
04半径通常不等于绳长
现在假设绳长为 \(L\)。
很容易会想写成 \(r=L\)。只有在绳子水平时,这才正确。
对于圆锥摆,水平半径是绳长的水平分量:
\[ r=L\sin\theta \]
从支点到圆周所在平面的垂直距离是
\[ L\cos\theta \]
当题目给的是绳长而不是半径时,这个几何关系就很重要。
例题:利用绳长求速率
一个 \(0.25\ \text{kg}\) 的质量连接在一条 \(1.20\ \text{m}\) 长的绳子上。它沿水平圆周运动,绳子与铅直方向成 \(35^\circ\)。求运动的半径、张力、速率和周期。取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
步骤 1
\[ r=L\sin\theta =(1.20)\sin35^\circ =0.688\ \text{m} \]
步骤 2
\[ F_T\cos\theta=mg \]
\[ F_T = \frac{(0.25)(9.8)}{\cos35^\circ} = 2.99\ \text{N} \]
步骤 3
\[ F_T\sin\theta = (2.99)\sin35^\circ = 1.72\ \text{N} \]
这必须等于 \(mv^2/r\)。
步骤 4
\[ 1.72=\frac{(0.25)v^2}{0.688} \]
\[ v = \sqrt{\frac{(1.72)(0.688)}{0.25}} = 2.17\ \text{m s}^{-1} \]
步骤 5
圆周路径的周长为 \(2\pi r\),所以
\[ P=\frac{2\pi r}{v} = \frac{2\pi(0.688)}{2.17} = 1.99\ \text{s} \]
质量每 \(1.99\ \text{s}\) 完成一周。
如果想进一步练习 \(v\)、\(r\) 和周期之间的关系,可参阅 等速圆周运动中的速率、半径和周期。
05圆锥摆的一个实用关系
还可以用角速度来描述这个运动。
角速度为
\[ \omega=\frac{v}{r} \]
其中 \(\omega\) 的单位为 \(\text{rad s}^{-1}\)。
水平方向的力方程式变成
\[ F_T\sin\theta=m\omega^2r \]
而因为 \(r=L\sin\theta\),
\[ F_T\sin\theta=m\omega^2L\sin\theta \]
对于真正的圆周运动,\(\sin\theta\neq0\),所以
\[ F_T=m\omega^2L \]
把它和
\[ F_T\cos\theta=mg \]
结合,可得
\[ m\omega^2L\cos\theta=mg \]
因此
\[ \omega^2=\frac{g}{L\cos\theta} \]
由于 \(P=2\pi/\omega\),
\[ P=2\pi\sqrt{\frac{L\cos\theta}{g}} \]
这个关系包含一个略为出人意料的结果:周期取决于支点到圆周路径之间的垂直距离 \(L\cos\theta\),而不是直接取决于半径。
这个观察在下面最后一道问题中会变得很重要。
06一个精简的判断方法
当你看到一个质量连在倾斜绳子上并沿水平圆周运动时:
- 只画出真正存在的力:张力和重量。
- 选择铅直方向和水平向内方向。
- 利用垂直加速度为零:
\[ F_T\cos\theta=mg \]
- 在水平方向使用向心加速度:
\[ F_T\sin\theta=\frac{mv^2}{r} \]
- 如果已知绳长,就把力学模型和几何关系连结起来:
\[ r=L\sin\theta \]
这些方程式假设 \(\theta\) 是从铅直方向量度的。如果题目是从水平方向量度角度,正弦和余弦的分量就会互换。重新画出三角形,而不要试图死记另一套方程式。
07问题与解答
问题 1
一个 \(0.30\ \text{kg}\) 的质量以 \(3.0\ \text{m s}^{-1}\) 的速率沿半径 \(0.80\ \text{m}\) 的水平圆周运动。求:
a. 张力的水平分量
b. 张力的垂直分量
c. 总张力
d. 绳子与铅直方向的夹角
取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
解答 1
水平和垂直分量分别为 \(3.38\ \text{N}\) 和 \(2.94\ \text{N}\),因此总张力为 \(4.48\ \text{N}\),绳子与铅直方向的夹角为 \(48.9^\circ\)。
在水平方向,
\[ F_{T,x} = \frac{mv^2}{r} = \frac{(0.30)(3.0)^2}{0.80} = 3.375\ \text{N} \]
所以
\[ F_{T,x}=3.38\ \text{N} \]
在垂直方向,加速度为零:
\[ F_{T,y}=mg=(0.30)(9.8)=2.94\ \text{N} \]
总张力是向量的大小:
\[ F_T = \sqrt{(3.375)^2+(2.94)^2} = 4.48\ \text{N} \]
最后,
\[ \tan\theta=\frac{3.375}{2.94} \]
所以
\[ \theta=48.9^\circ \]
一个很诱人的捷径,是因为 \(3.38\ \text{N}\) 等于 \(mv^2/r\),便把它称为张力。但它其实只是张力的水平分量。同一个张力向量还必须提供 \(2.94\ \text{N}\) 的向上分量,以平衡重量。
问题 2
一个 \(0.20\ \text{kg}\) 的质量悬挂在一条 \(1.00\ \text{m}\) 长的绳子上,并作圆锥摆运动。绳子与铅直方向成 \(50^\circ\)。
计算:
a. 圆周路径的半径
b. 绳子的张力
c. 质量的速率
d. 周期
取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
解答 2
半径为 \(0.766\ \text{m}\),张力为 \(3.05\ \text{N}\),速率为 \(2.99\ \text{m s}^{-1}\),周期为 \(1.61\ \text{s}\)。
先利用绳子的几何关系:
\[ r=L\sin\theta =(1.00)\sin50^\circ =0.766\ \text{m} \]
在垂直方向,
\[ F_T\cos50^\circ=mg \]
所以
\[ F_T = \frac{(0.20)(9.8)}{\cos50^\circ} = 3.05\ \text{N} \]
它的水平分量为
\[ F_T\sin50^\circ = (3.05)\sin50^\circ = 2.34\ \text{N} \]
因此,
\[ 2.34=\frac{(0.20)v^2}{0.766} \]
由此得到
\[ v = \sqrt{\frac{(2.34)(0.766)}{0.20}} = 2.99\ \text{m s}^{-1} \]
周期为
\[ P = \frac{2\pi r}{v} = \frac{2\pi(0.766)}{2.99} = 1.61\ \text{s} \]
一个很容易犯的错误是令 \(r=1.00\ \text{m}\)。绳长是几何三角形的斜边;圆周半径是它的水平分量 \(L\sin\theta\)。
问题 3
一个质量作圆锥摆运动,周期为 \(1.80\ \text{s}\)。
起初,它的绳长为 \(1.00\ \text{m}\)。
a. 求绳子与铅直方向的夹角,以及圆周的半径。
之后,绳子缩短至 \(0.70\ \text{m}\),同时有一个机制尝试把周期准确维持在 \(1.80\ \text{s}\)。
b. 质量能否稳定成一个半径非零、且周期为该数值的圆锥摆?请从物理和数学上说明你的答案。
取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
解答 3
起初,角度为 \(36.5^\circ\),半径为 \(0.594\ \text{m}\)。把绳子缩短至 \(0.70\ \text{m}\) 后,不可能存在周期为 \(1.80\ \text{s}\)、且半径非零的圆锥摆状态。
与该周期相应的角速度为
\[ \omega = \frac{2\pi}{P} = \frac{2\pi}{1.80} = 3.49\ \text{rad s}^{-1} \]
对圆锥摆而言,
\[ \omega^2=\frac{g}{L\cos\theta} \]
所以
\[ \cos\theta=\frac{g}{\omega^2L} \]
当 \(L=1.00\ \text{m}\) 时,
\[ \cos\theta = \frac{9.8}{(3.49)^2(1.00)} = 0.804 \]
因此,
\[ \theta=36.5^\circ \]
而
\[ r=L\sin\theta = (1.00)\sin36.5^\circ = 0.594\ \text{m} \]
现在把绳子缩短至 \(0.70\ \text{m}\),同时保持相同的 \(\omega\):
\[ \cos\theta = \frac{9.8}{(3.49)^2(0.70)} = 1.15 \]
但实数角不可能有 \(\cos\theta>1\)。
所以,所要求的稳定圆周运动是不可能的。
一个看似合理的想法是,系统只需增加张力,就能让较短的绳子正常运作。但张力不能任意调整来独立满足所有限制。垂直平衡、水平向心加速度、指定的角速度,以及固定的绳子几何关系,都必须同时成立。在这里,它们要求 \(\cos\theta\) 取一个不可能的数值。
等价地,在这个角速度下,绳长存在一个最小可能值:
\[ L_{\min}=\frac{g}{\omega^2} = \frac{9.8}{(3.49)^2} = 0.804\ \text{m} \]
所提出的 \(0.70\ \text{m}\) 绳子比这个下限更短。
问题 4
一个 \(0.40\ \text{kg}\) 的质量连接在一条 \(1.00\ \text{m}\) 长的绳子上作圆锥摆运动。它的圆周路径位于水平地面上方 \(1.25\ \text{m}\)。
绳子突然断裂。忽略空气阻力。质量最后落在距离绳子断裂位置正下方地面点 \(1.10\ \text{m}\) 的水平位置。
求:
a. 绳子断裂前一刻的速率
b. 绳子与铅直方向的夹角
c. 绳子断裂前一刻的张力
取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
解答 4
在断裂前一刻,质量的速率为 \(2.18\ \text{m s}^{-1}\),绳子与铅直方向的夹角为 \(38.1^\circ\),张力为 \(4.98\ \text{N}\)。
在绳子断裂的瞬间,质量会保留当时的瞬时速度。这个速度是水平的,并且沿圆周路径的切线方向。
因此,它的初始垂直速度为零。
对于 \(1.25\ \text{m}\) 的下落,
\[ h=\frac{1}{2}gt^2 \]
所以
\[ 1.25=\frac{1}{2}(9.8)t^2 \]
并且
\[ t = \sqrt{\frac{2(1.25)}{9.8}} = 0.505\ \text{s} \]
在水平方向,
\[ v=\frac{d}{t} = \frac{1.10}{0.505} = 2.18\ \text{m s}^{-1} \]
在断裂之前,圆锥摆的关系式为
\[ \tan\theta=\frac{v^2}{rg} \]
但半径目前仍未知。由于绳长为 \(L=1.00\ \text{m}\),
\[ r=L\sin\theta \]
因此,
\[ v^2 = gL\sin\theta\tan\theta = gL\frac{\sin^2\theta}{\cos\theta} \]
令 \(c=\cos\theta\)。由于 \(\sin^2\theta=1-c^2\),
\[ \frac{v^2}{gL} = \frac{1-c^2}{c} \]
代入 \(v=2.18\ \text{m s}^{-1}\),
\[ \frac{(2.18)^2}{(9.8)(1.00)} = 0.484 \]
所以
\[ 0.484=\frac{1-c^2}{c} \]
因此
\[ c^2+0.484c-1=0 \]
具有物理意义的根为
\[ c=0.787 \]
所以
\[ \cos\theta=0.787 \]
并且
\[ \theta=38.1^\circ \]
最后,绳子断裂前的垂直平衡给出
\[ F_T\cos\theta=mg \]
所以
\[ F_T = \frac{(0.40)(9.8)}{\cos38.1^\circ} = 4.98\ \text{N} \]
一个很诱人的做法,是把抛射运动中的 \(1.10\ \text{m}\) 水平位移当作原本圆周的半径。它不是。绳子一旦断裂,质量一开始会沿原本圆周的切线方向运动。抛射运动让我们求出切向速率;之后仍必须利用绳子的几何关系和圆周运动方程式,求回原本的半径。
问题 5
两个不同的圆锥摆,其支点位于同一水平高度。
摆 A 的绳长为 \(1.20\ \text{m}\)。摆 B 的绳长为 \(0.80\ \text{m}\)。
在两种情况下,水平圆周路径都恰好位于支点下方 \(0.60\ \text{m}\) 的垂直距离。两个质量不一定相等。
一名学生认为:
摆 A 的圆周半径较大,所以它完成一周所需的时间一定较长。
判断两者的周期是否真的不同。然后计算每个质量的半径和线速率。
取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
解答 5
两个摆的周期完全相同,都是 \(1.55\ \text{s}\),尽管摆 A 的半径较大,而且具有较大的线速率。
令支点到圆周所在平面的垂直距离为 \(h\)。
由几何关系,
\[ h=L\cos\theta \]
由力的平衡,
\[ F_T\cos\theta=mg \]
以及
\[ F_T\sin\theta=m\omega^2r \]
把水平方程式除以垂直方程式:
\[ \tan\theta=\frac{\omega^2r}{g} \]
但绳子的几何关系也给出
\[ \tan\theta=\frac{r}{h} \]
因此,
\[ \frac{r}{h} = \frac{\omega^2r}{g} \]
两个摆的半径都不为零,所以 \(r\) 可以约去:
\[ \omega^2=\frac{g}{h} \]
这就是关键限制。半径看起来似乎很重要,但当力的方程式和绳子的几何关系必须同时成立时,它会从角速度的表达式中消失。
取 \(h=0.60\ \text{m}\),
\[ \omega = \sqrt{\frac{9.8}{0.60}} = 4.04\ \text{rad s}^{-1} \]
因此
\[ P = \frac{2\pi}{\omega} = \frac{2\pi}{4.04} = 1.55\ \text{s} \]
两个摆皆是如此。
现在求半径。
对摆 A,
\[ r_A = \sqrt{L_A^2-h^2} = \sqrt{(1.20)^2-(0.60)^2} = 1.04\ \text{m} \]
对摆 B,
\[ r_B = \sqrt{L_B^2-h^2} = \sqrt{(0.80)^2-(0.60)^2} = 0.529\ \text{m} \]
线速率为 \(v=\omega r\)。
因此,
\[ v_A = (4.04)(1.04) = 4.20\ \text{m s}^{-1} \]
以及
\[ v_B = (4.04)(0.529) = 2.14\ \text{m s}^{-1} \]
摆 A 的确沿著较长的圆周运动,但它的速率也恰好提高到足以令周期保持不变。
这名学生的说法把半径和速率视为其中一个可以改变、而另一个保持不变。在圆锥摆中,两者透过力的平衡和几何关系互相连系。当垂直距离 \(h=L\cos\theta\) 相同时,角速度由
\[ \omega=\sqrt{\frac{g}{h}} \]
决定,与质量或半径无关。
08这个模型接下来能让你做到甚么
这里最重要的习惯,不是死记两条分量方程式,而是判断哪个方向实际上存在加速度。
对水平圆周路径而言,垂直加速度为零,所以垂直方向的力互相平衡。在水平方向,存在向内的加速度,因此真正作用力的水平分量必须产生 \(mv^2/r\)。
同样的方法也适用于更复杂的圆周运动问题。如果圆周是倾斜的、垂直的,或由多于一个力支撑,分量方程式会改变,但方法不变:选定径向方向、辨认真正存在的力、把它们分解成分量,然后才写出牛顿第二定律。