颗粒物质内自旋小球运动行为的数值模拟研究

针对大耳沙蜥在沙子中的运动行为,以球形物体为研究对象,利用3维离散元数值模拟程序LIGGGHTS模拟了旋转运动模式对颗粒物质中球形物体平动和上升/下降行为的影响,定量分析了旋转速度以及颗粒间摩擦系数等因素的具体影响.研究结果表明:球形物体与颗粒物质基底颗粒间的摩擦系数以及球形物体的自转角速度对球形物体的运动有明显影响,摩擦系数越大物体运动越明显,自转角速度越大物体运动越明显.该结果比较好地解释了沙漠生物外表具有鳞片的原因.     

旋转圆环槽中珠子的动力学性质研究

从非惯性系下的质心运动定理出发,建立空间转动坐标系,研究了珠子在绕竖直轴旋转的圆环槽中相对于环的运动所对应的理论,包括珠子相对于底部和侧壁的不同状态的运动方程,滚滑运动和纯滚动之间的转换条件,运动过程中的科里奥利力以及珠子的平衡位置.实验中忽略空气阻力和非弹性碰撞对珠子运动的影响,研究了环转速、环中心到珠子球心的距离和滑动摩擦系数对珠子运动进程和平衡位置的影响.采用珠子位于环槽内部的简化模型,增加了珠子运动的自由度.     

用转速表测向心力

本实验装置用转速表来测出物体作圆周运动的转速,得出角速度ω的数值,用测力计测出向心力F的数据,用米尺量出半径R,能定量地找出向心力F、角速度ω、半径R之间的关系:R一定,F∝ω;ω一定,F∝R。从而得出F=mω~2R的公式。实验装置:如下图所示。     

旋转圆环上的珠子动力学

对于放置在旋转圆环凹槽上的珠子,当圆环旋转时,珠子将产生一系列运动行为。可以将珠子视为刚体,研究珠子的动力学,考虑滚动摩擦和黏滞阻力两种形式的阻力,用分析力学方法推导其运动方程,并讨论相关动力学变量,包括平衡点超临界分叉、小振动周期等条件,通过实验模型进行逐一验证。并对特殊条件下进行的受迫振动进行了理论和实验研究。     

“十”字形自驱单元形成寡聚体的动力学行为

探索自驱粒子形状对自组装结构和动力学的影响是软物质研究的前沿课题.组装基元形成的寡聚体及其动力学是大量粒子形成组装结构的基础.本文设计了一种“十”字形自驱粒子,发现其可以形成数种不同构型的寡聚体,计算了寡聚体(二、三、四聚体)的均方位移、角速度、角速度分布概率、轨迹曲率分布概率等.寡聚体的运动行为可分为两类:一类是合力为零但力矩不为零,寡聚体进行小半径的偏心旋转;另一类是合力不为零力矩也不为零,寡聚体呈现大半径的偏心旋转.寡聚体的平动动力学在短时间尺度(大致约为1—2 s,与其角速度有关)都呈现超扩散现象,但转动速度受寡聚体结构影响;力矩越大,转动惯量越小,角速度越大.对于三聚体,轨迹曲率与角速度有关,角速度越大,曲率也越大.     

利用磁力搅拌器探究磁悬浮现象

磁力搅拌器中的搅拌子在具有黏性的流体中随磁力搅拌器转速的改变能实现稳定上升和悬浮.本文利用动力学方程对磁悬浮现象中搅拌子的运动规律进行了理论分析,通过控制变量对影响稳定悬浮的参量进行了实验探究.实验和理论结果一致表明:流体黏度越大,搅拌子悬浮高度越低;随着磁力搅拌器驱动转速增大,搅拌子摆动角速度ω_w加强,转动角速度ω_s减弱,悬浮高度降低;较小的搅拌子更容易稳定在中心,直径小的烧杯容易提供初始的稳定态;当搅拌子初始距底高度z_b固定,驱动转速越大,或当驱动转速固定,搅拌子z_b高度越高,对应的摆动振幅都越小.     

开拓一道力学题

由赵景员和王淑贤合编的《力学》中,有一道题是“试证在以角速度ω旋转的圆桶内的液体的自由表面的形状是一抛物面”(426页,第15题).我们试对它进行开拓,使其变成内容很广的综合力学题目.经变化后的题为 “一个充分高的圆柱桶,其底面半径为R,内部装有高度为l,密度为ρ的液体,当它绕其轴(通过桶底中心且平行于桶壁)以角速度ω旋转时,试求(1)其自由液面为抛物面;(2)抛物面的顶点距器底的高度随ω变化的关系图象;(3)ω为何值时桶底才能露出;(4)液体沿器壁上升的高度随ω变化的关系;(5)桶底露出的半径随ω变化的关系;(6)质心高度随ω变化的关系…     

低频超声空化场中柱状泡群内气泡的声响应

本文在气泡群振动模型的基础上,考虑气泡间耦合振动的影响,得到了均匀柱状泡群内振动气泡的动力学方程,以此为基础分析了低频超声空化场中柱形气泡聚集区内气泡的非线性声响应特征.气泡间的耦合振动增加了系统对每个气泡的约束,降低了气泡的自然频率,增强了气泡的非线性声响应.随着气泡数密度的增加,气泡的自然共振频率降低,受迫振动气泡受到的抑制增强.数值分析结果表明:1)驱动声波频率越低,气泡的初始半径越小,气泡数密度变化对气泡最大半径变化幅度的影响越大;2)气泡振动幅值响应存在不稳定区,不稳定区域分布与气泡初始半径、驱动声波压力幅值、驱动声波频率等因素有关.在低频超声波作用下,对初始半径处在1—10μm之间的空化气泡而言,气泡初始半径越小,气泡最大半径不稳定区分布范围越大,表明小气泡具有更强的非线性特征.因此,气泡初始半径越小,声环境变化对空化泡声响应稳定性影响越显著.     

"旋转单摆"的双稳态振动

利用数值计算的方法分析了旋转单摆以一定角速度ω旋转时的双稳态特征及其围绕稳定平衡位置的大角度振动.     

基于相同参数抛物镜面旋转阵列的太阳能槽式聚光器聚焦特性研究

提出了一种基于相同抛物镜面单元旋转阵列的低成本新型槽式聚光器。采用光线跟踪方法建立了该聚光器的光学分析模型,并详细研究了镜面焦距（f）、镜面宽度、平面接收器位置、旋转阵列半径（R₁）和旋转阵列数量（N）等关键参数对其聚光性能的影响规律,为其设计与应用提供了重要依据。研究结果表明：新型槽式聚光器能很好地汇聚太阳光能,并且它不同于传统抛物槽式聚光器将平行光汇聚于某点,而是有所“分散”地进行汇聚,具备实现平面接收器上均匀聚焦能流分布的潜力;聚焦光斑的合理接收位置会随旋转阵列半径的改变而变化,通常接收器位于旋转阵列半径的一半位置是合适的,但要获得最小聚焦光斑则需将其下移150～200 mm;聚焦光斑宽度随镜面编号呈指数增大关系,特别是当镜面宽度较大且旋转阵列半径较小时;旋转阵列半径越大或镜面宽度越小,聚焦能流分布越集中且峰值聚光比越大（算例中已达到50）,此时聚焦能流基本呈高斯分布特征。此外,采用较小旋转阵列半径可降低接收器的安装高度并改善能流均匀性。在算例中,当f=8000 mm、R₁=4000 mm、N=5且接收器位于1830 mm位置时,聚焦光...     

用于绝对重力仪的落体旋转评估方法

介绍了一种自主搭建的测量落体在自由下落过程中旋转角速度的装置,评估了不同落体旋转角速度引入的旋转误差对重力测量的影响。针对具有旋转初速度的落体在真空腔内自由下落的运动模型,该装置采用光杠杆原理,将高精度位置传感器(PSD)作为光跟踪设备,研究并推导出落体由旋转所导致的反射光位移与下落时间的关系。然后,对PSD采集记录的时间位移曲线进行拟合,求解落体单次下落的旋转角速度值。在调整真空腔垂直度后,最大旋转角速度值可减小为16.88 mrad/s,引入的重力测值不确定度为0.57μGal,即该状态下落体的释放更加平稳。实验表明,该装置不仅可以进一步提升绝对重力仪中落体传动机构的装调精度,还可以对光学干涉绝对重力仪工作过程中的落体姿态进行监测,进一步降低落体旋转所引入的测量不确定度。     

用传感器探究影响向心力大小的因素

针对传统探究向心力 F大小与质量m、角速度ω和半径r之间关系的实验存在的不足,重新设计了实验装置,该实验装置利用PASCO力传感器测向心力的大小,用调速电机来改变金属小球作圆周运动的角速度,并用霍尔传感器测量电机的转速,而金属小球的质量和小球的旋转半径则可以定量改变,由此可定量探究向心力的大小 F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系。     

水平均质表面上液滴聚合过程的可视化实验研究

对水平均匀表面上液滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了液滴半径和液滴物性等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径和接触角变化特性的影响规律。实验结果表明:液滴聚合中液桥半径和接触角都呈衰减振荡变化; 聚合前液滴半径越小,液桥半径振荡频率越大,振幅越小,振荡时间越短;液滴的粘度越大,液桥半径的振荡频率越小, 振幅越小,振荡时间越短;液滴聚合前的接触角明显大于聚合液滴静止后的接触角,其差值与固体界面状况和气、固、液物性相关。     

电动向心力公式验证演示仪的改进

对向心力公式验证演示仪进行了改进,改进后的演示仪参照教材上验证向心力的实验方法,改用电机驱动使一质量已知的金属小球在细线带动下沿一水平面作匀速圆周运动,实验时通过更换不同材质的小球改变质量,通过调节细绳的长度或电机转速改变小球旋转半径,通过调节电机工作电压改变小球旋转角速度,利用控制变量法测出F与m、ω、R的对应关系,最后通过实验数据分析推导得出向心力公式F=mω~2R。改进后的实验装置操作方便,测量精度高,值得推广。     

用原子的发射光谱对氢原子、氦离子、氦原子内电子的运动瞬时速度和轨道半径的实测与研究

本文利用笔者发明的"原子内电子运动瞬时速度和轨道半径测量方法及其测量设备"(于2005年3月23日,由中华人民共和国国家知识产权局授予发明专利证书,发明专利号ZL00105041.9),对氢原子、氦离子、氦原子内旋转运动着的电子在发射不同频率的电磁波时的运动瞬时速度和轨道半径进行了实测与研究,首次实现了氢原子内电子运动参数的精确测量,氢原子的电子在发射(巴尔末谱线系)不同频率的电磁波时分别所对应的电子运动瞬时速度(km/s)是5173.9740,4899.4164,5510.2393,4673.4087,5860.4100,4313.0330;和分别对应的轨道半径(×10-12 m)是9.4640,10.5540,8.3440,11.6000,7.3770,13.6200.此结果与过去用其它方法实测的氢原子核间距离的一半32×10-12 m进行分析、比较,可以断定,用此方法测量的原子内电子运动瞬时速度和轨道半径数据是非常精确的.原子结构的动态"行星"模型图像第一次清晰地展现在人们的眼前;这标志着爱因斯坦与玻尔关于对"测不准原理"长期争论的结束;爱因斯坦的决定论观点取得了根本性的胜利.氢原子内旋转运动着的电子发射红、绿、兰、紫、紫外1、紫外2电磁波时,它所处的位置, 运动速度不同.每一个小周期内,电子发射两次电磁波.电子发射电磁波时,在一个位置上的运动速度较快,而在另一个位置上则较慢,即电子时而加快,时而又减慢;电子时而靠近原子核,进而又远离原子核,电子围绕原子核的旋转运动半径R 成周期性的变化;同时,电子旋转运动速度的大小也成周期性的变化,这正反映了原子的振动规律性.通过对氦离子、氦原子内旋转运动着的电子在发射不同频率的电磁波时的运动瞬时速度和轨道半径的实测、研究,发现氦原子的外层电子电离后,内层电子将作减速运动,并且内层电子的轨道半径将变大.氦原子内、外层电子在发射不同频率的电磁波时,所处的位置、运动速度均不相同;所发射的电磁波频率并非以其所在轨道半径的大小而成比例地增大或减小.实测证明电子发射电磁波频率的大小只取决于电子作减速运动的负加速度的大小.在每一个小周期内,电子发射两次电磁波,电子发射电磁波时,在一个位置上的运动速度较快,而在另一个位置上则较慢,即电子时而加快,时而又减慢;电子时而靠近原子核,进而又远离原子核,电子围绕原子核的运动半径R成周期性的变化,同时,电子旋转运动速度的大小也成周期性的变化.以上所测氢原子内电子的旋转运动轨道平均周期是0.79097372～1.98414850×10-17 s(注1飞秒=10-15 s);以上所测氦原子内电子的旋转运动轨道平均周期是4.764819～114.76487×10-22 s.     

温度对小角度对称倾斜晶界位错运动影响的晶体相场模拟

采用晶体相场法模拟了纳米尺度下小角度对称倾斜晶界的结构和位错运动,针对弛豫过程和附加外应力过程,观察了晶界上位错运动的位置变化和体系自由能变化,分析了温度对小角度对称倾斜晶界的结构和晶界上位错运动的影响规律.研究表明,弛豫过程中体系温度越低,体系自由能下降速率越大,原子规则排列速率增加,体系自由能达到稳定状态所需的时间越短,晶界达到稳定状态时位错对排列愈发整齐,呈现直线规则排列.外应力作用下,温度越低,晶体位错对首次相遇时间越长,晶体形成单个晶粒时间越长,位错对首次相遇到晶体内位错对完全消失过程时间越长;随着温度的降低,体系自由能出现多段上升下降,位错对反应也愈加复杂,趋向于逐对抵消.     

Magnus力对球类空中运动的影响

Magnus效应描述了黏性流体中物体的旋转造成的附近区域流体流速不同，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直方向上产生一个横向Magnus力的现象.Magnus力是影响球体运动轨迹很重要的因素，在球类运动中往往是形成各种“曲线球”的原因.本文以足球和乒乓球为例，分析其受力情况，数值求解其运动方程，比较了不同角速度ω下球的运动轨迹和运动特征，系统研究了不同方向角速度ω产生的Magnus力对球体运动轨迹的影响，并据此分析了足球和乒乓球运动中几种技术动作的物理原理.     

内壁粗糙碗中的动力学问题深度探究 ( 二)

为更深入探究内壁粗糙碗中的动力学问题, 利用Ma t h e ma t i c a数学软件计算和画出了物体逆时针运动 的角度θ与运动时间t的图像关系和物体逆时针运动的角速度ω与运动时间t的图像关系, 从图像关系可以准确得 到在某时刻对应的角度、 角速度、 速度     

用传感器探究影响向心力大小因素的实验装置研究

实验探究向心力F的大小与质量m、角速度ω和半径r之间的关系是高中物理的一个重要实验。针对传统实验装置存在的不足,新设计的实验装置利用PASCO力传感器测向心力的大小,用调速电机来改变金属小球作圆周运动的角速度,并用霍尔传感器测量电机的转速,金属小球的质量和小球的旋转半径则定量改变。新的实验装置能定量地探究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系,实验结果精确度高,演示效果明显,方便师生使用和操作,值得推广。     

超声悬浮过程中圆柱体的旋转运动机理研究

研究了圆柱体在超声悬浮过程中的旋转运动机理.实验发现:悬浮圆柱体的密度和长径比越小,转动惯量越小,其稳态旋转的转速越大;反射端在水平方向的偏移会产生回复力矩,使圆柱体停止旋转,且圆柱体静止时的轴线方向与反射端偏移方向垂直;在圆柱体两端加入适当的外界干扰可以主动抑制其旋转.计算表明,悬浮圆柱体的旋转起源于其质心偏移产生的力矩,而反射端位置的偏移以及发射端的倾斜均会抑制圆柱体的旋转.