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调和以及调和平均(附:惯性和摩擦的影响)

昨晚睡前看到一个教学视频“ 3+1 = 3 ”:细线绕过轴承,两侧分别悬挂1个和3个砝码;其无摩擦运动时轴承的受力正好是3个砝码的重量。力学分析没有难度。

 

若 A 之倒数等于 B 与C 倒数之和,则称A为 B 与C之调和,记为A = B?C 。调和满足交换律和结合律,可以定义数乘,等等。

若干电阻并联,总的等效电阻就是他们的调和。如果考虑支路通过电流的平均值,那么定义平均电阻就是总电阻与支路数目的乘积,即电阻的调和平均值。顺便说一句,电流在各支路的分配正好使总的能量耗费最低——调和意味着优化。

如果船来回两地的速度为V1和V2 ,则速度V = V1?V2就是两地距离L 与总用时T的比值;若要评价单程的平均用时,则可采用调和平均值 2V。

两个刚度为K1和K2的弹簧串联时,总的刚度就是两者之调和K = K1?K2;土层垂直渗流时,总的渗透能力也是各层之调和,渗透能力随层数增加而降低。 

n个正数bj由小到大排列,算术之和总是增大,其平均值肯定大于bn /n,即最大值控制了系统的下限;而调和总是减小,调和平均肯定小于nb1,即最小值控制了系统的上限。

对于前述串联弹簧和垂直渗流,要提高总体的刚度或渗透性能,关键是改善系统中性能较低者;反之亦然,如大坝之防渗,只要有一层渗透系数较低即可,小浪底的堆石大坝采用黏土心墙。您的系统中各个组成如何影响总体性能呢,又该用何种平均。

附:惯性和摩擦对一个失重试验的影响

试验中加速度约为0.5g,因而砝码在0.3 秒时间的运动距离约为 22 厘米。这实在有些短。如果将天平斜放到桌角使其臂端伸出桌面,将砝码可运动的距离增加到 1 米以上就好了。不过,若真是这样,天平或许就不再能平衡,这个失重的演示试验就不能成立啦。需要知道,轴承旋转部分具有质量,对运动以及细线受力也会产生影响。 

若m2 = 3m1 而 m =0.2m1,天平右端的实际受力将达到 3.05m1g,对天平而言并不能忽略呢。只是天平臂的转动惯量较大,其依稀可见的向右缓慢倾斜被快速下降的砝码所掩盖。

使用固定的圆柱支承细线可以消除上述惯性的影响,但圆柱摩擦可能使试验完全失去可靠性。绕过圆柱半周的细线两侧作用力满足 F2 = kF1 。k ≤m2 /m1 时,

砝码运动的加速度为  a = g(m2– km1)/(m2+ km1),

支承细线圆柱受力为  F1+F2= 2(1+ k)m1m2g/(m2+ km1)。

在阻力系数  k=2.5 时 上式为 3.82m1g。天平更不能平衡。

塑料绳绕过不锈钢茶杯,两侧茶杯数为2和5时正好进入临界状态:可保持静止而稍作扰动则滑动。如果绕过圆柱一周半,因2.5*2.5*2.5=15.625,两侧重量的比值达到15也可保持静止啊。

圆柱的摩擦使绳子中张力增大,而张力又引起绳子对圆柱的压力增加即摩擦力的增大:正反馈引起指数形式的增加。下面是课件中的一页,上课时当然是设计动画而逐个显示加以解说。

 

塑料绳绕过不锈钢茶杯半周的阻力系数 k为2.5,相应的静摩擦因子μ略大于0.29;若是细麻绳与木杆,μ或许有0.8,则绕圆柱时半周阻力系数为12.3,而一周半则可达到1880 以上呢。

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