“摩天轮”的制作

“摩天轮”的制作
在日常生活中，洗衣机和干衣机内的滚筒、体育项目中的链球、游乐场内的过山车、旋
转秋千、团团转等等，都是应用离心力原理而设计的，甚至火车急转弯时乘客所感受到的向
外倾斜力，都是离心力。

人们在离心力的作用下，感受到速度、刺激、紧张，虽然险象环生，
但又爱不释手。

为了解释该离心现象，我制作了物理演示模型“摩天轮”。

该模型在演示新
奇好玩的实验现象的基础上，更有利于学生知识的掌握。

一、“摩天轮”的物理原理
由牛顿第三运动定律（反作用定律）得知，有一作用力必生一反作用，故当向心力产生时，
必有一大小相等，方向相反之力发生，此反作用力系使物体飞出中心，故称离心力。

离心力是
在非惯性参考系中假想出的一个惯性力，其实并不存在，只是为了使惯性参考系中的定理同样
适用于非惯性参考系而人为加上的。

该模型主要运用了离心力原理，定性直观地验证了影响离心力大小的因素。

根据离心力
公式2
F mr ω=可知：“物体所受离心力的大小与其质量m 、旋转半径r 、角速度ω有关”。

二、“摩天轮”的制作材料
胶合木板、一个无级调速器、一个开关、一个马达、指示灯、圆直塑料管、变压器、整
流器、有机透明玻璃瓶、不锈钢空心小球、强力胶、油漆、电源插头线等。

三、“摩天轮”的制作及演示
（一）尺寸结构图、实物图及内部线路图
“摩天轮”的结构图 “摩天轮”的实物图
“摩天轮”的线路图
（二）制作过程 1.用胶合木板制作一个边长约为四十厘米，近似正方体的木箱。

木箱做好后，在木箱
表层，刷上天蓝色油漆；待油漆干后，选取木箱的某一表面，在其中心处按电动机直径的大
小挖个圆孔，用螺丝、螺帽将电动机固定在木箱内，且使电动机顶部露出木箱表层。

2.利用电动机、整流器、变压器、开关、导线等元器件，连接好电动机的完整工作电
路后，再将它们固定在木箱内的适当位置；并在木箱的侧面钻一个小孔，将导线从木箱内引
出且安装好插头。

3.用木板加工出一个圆形转盘，并在此圆形转盘的中心处打个小孔，在孔内涂上强力胶，
便将此圆形转盘安装固定在电动机转轴上。

4.用胶合木板加工出一个较大的圆形转盘，然后按照有机透明玻璃瓶口的大小，从圆盘
的中心处挖去一个小圆；便将此同心圆盘罩在涂有强力胶的杯口处，固定好。

5.用圆直塑料管加工出三个同种尺寸的圆弧凹槽，并分别在每个凹槽顶端中心的左右两
侧对称地打上两个小孔。

将加工好的同心圆盘三等分后，用螺丝、螺帽将圆弧凹槽与同心圆
盘连接、固定好。

6.将以上连接在有机透明玻璃瓶上的所有部件，整体地安装固定在木箱上的圆形转盘
上。

7.将演示用的不锈钢空心小球和轻质物体连接好，一起放到组装好的演示仪上；接通电
源，让组合好的“摩天轮”转起来，查看其不足之处后，再进行适当的调试。

（三）演示步骤
1.将连接好的不锈钢空心小球和轻质锥形物体放在演示仪上的适当位置；放好后，接通
电源，打开马达开关，通过调节变速器使转盘的转速处于低速，观察演示现象。

2.调节变速器，使电动机慢慢地逐步加速，最后达到最大设定速度，观察演示现象。

3.重复上述操作3—4次，仔细观察现象。

4.观察完毕后关闭开关。

（四）演示现象及分析
1.当调节变速器使“摩天轮”的转速处于低速时；可看到不锈钢空心小球，仍处于凹形
叶片的原位置。

这是由于系统提供的向心力（主要为小球受到的静摩擦力）等于小球维持圆
周运动所需的向心力。

即：F f =需静
2.调节变速器，使“摩天轮”慢慢地逐步加速时；放在凹形叶片上的不锈钢小球将受到
逐渐增大的离心力的作用，根据离心力公式2F mr ω=可知：在m 、r 不变下，ω增大，F
也随之增大（同理在m 、ω不变下，r 增大，F 也随之增大），此时，由静摩擦力提供的向心
力也随着增大，直至达到最大静摩擦力。

即：F f =需最大（临界状态）。

至此，小球仍能保
持在原位置上。

3.继续加大转速，当（小球受到的离心力>受到的最大静摩擦力）时；小球会突然飞离
“摩天轮”，并通过细绳的传导，带动处于有机透明玻璃瓶底的物体（瓶内物体将作加速上
升运动），一起飞离演示仪。

四、“摩天轮”的原理应用
在生活中，离心技术的运用还真不少。

比如：我们日常生活中广泛用到的家电产品“洗
衣机”的脱水功能就是运用离心力的原理设计出来的。

当洗衣机的脱水桶高速旋转时，吸
附在衣物上的水珠便会由于受到离心力的作用而飞离衣物，并通过桶壁的小孔，汇集到桶
外的排水管道处。

（右图中的F 为衣物上水珠的附着力，2mr ω为水珠维持圆周运动所需的
水珠
洗衣机脱水筒 做圆周运动的水珠
向心力；当2F mr ω<时，水珠便会与衣物分离，从脱水桶的小孔飞出。

）这一运用，为我
们的日常生活带来了许多便利，解决了由于气候潮湿、温度低引起的衣物难干的实际问题。

此外，离心技术在公路、铁路的设计建设中也得到了充分的应用。

我们都知道在公路、铁路的拐弯处的设计建设中都有一普遍现象，那就是外侧路基要比内侧的高。

这就是充分考虑到机车在较高速度下作曲线运动时，会产生离心现象，导致机车偏离原行驶方向而造成严重的交通事故。

因此，为了尽量避免此类事故的发生，建设者们设计了外高内低的路基，利用机车自身重力的分力来弥补仅由路面的摩擦力（或铁轨的弹力）提供向心力的不足。

（如下图所示）
火车车轮结构图 汽车试验场的飞车走壁
火车转弯时的结构图及受力分析
离心技术（centrifugal technique ）在生物科学，特别是在生物化学和分子生物学研
究领域，已得到十分广泛的应用，每个生物化学和分子生物学实验室都要装备多种型式的离心机。

离心技术主要用于各种生物样品的分离和制备，生物样品悬浮液在高速旋转下，由于巨大的离心力作用，使悬浮的微小颗粒（细胞器、生物大分子的沉淀等）以一定的速度沉降，从而与溶液得以分离，而沉降速度取决于颗粒的质量、大小和密度。

在铀浓缩方面，可采用气体离心法，而采用该方法的关键设备是气体离心分离机。

它是
一个庞大的系统，当铀矿通过每秒2万转以上的高速离心机时，其他同位素可从天然铀矿石中分离出去，剩余的铀235的浓度可达到95％以上。

总之，这简单的物理模型在解释基本原理的同时，让人们对有关的物理现象有了更为深
刻的认识；但更重要的是让人们能够更加重视身边的科学知识，养成较高的科学素养，能透过现象看本质。

这是我们当代大学生应有的素质，社会各界更应积极倡导！
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