人從高處往低處走,分別在彎曲的坡 平直的坡和樓梯,這三樣哪個更早到終點?

時間 2021-05-11 04:33:03

1樓:

這個問題要分成兩種情況

1.允許用滾的

那麼凹陷的坡會更快,相比直坡,凹陷的坡在開始階段的加速度更大,雖然路程更長,但是更大的平均速度具有更大的影響。

樓梯最慢。

2.不允許用滾的

樓梯最快,因為樓梯允許人直接在垂直方向上施加力,能量利用率更高。

其次是直坡。

彎曲的坡最慢因為……你不敢走。

2樓:宮非

2019-01-03

在正式回答這個問題前,我們先來看個動畫,了解這三種路徑,何者比較早到終點?

在乙個斜面上擺兩條軌道,一條是直線,一條是曲線,起點高度以及終點高度都相同。將兩個相同的鐵球自兩軌道的起點同時釋放,何者會先到達終點呢?結果是曲線的小球反而先到終點。

事實上,這條最速降線不是弧線,是一條「擺線」,也叫「旋輪線」。我們先上結論:

1. 擺線與直線比較,球似乎走路徑較長且較陡的擺線較快;然而擺線與比擺線更長更陡的曲線比較,球卻也是走擺線較快,為什麼?

2. 球由擺線中不同點為起點靜止釋放,為什麼卻會花同樣時間抵達終點?

重力下的下降路徑

這裡我們不去列出複雜的計算式,加碼來比較五種路徑由 A 點 (最高點) 以不同路徑到達 B 點 (最低點) 所費時間的公式與時間近似值 (如表1)。可以明顯看出,擺線所耗時間最短,圓弧次之,拋物線第三,正弦函式第四,直線雖然距離最短,但卻是最慢的!這是由於鐵球在擺線部份持續地加速,在曲線部份的速度恆大於直線路徑鐵球的速度,所以最先到達。

所費時間的公式與時間近似值

如果用v-t 圖來比較,曲線底下的面積就是各自所走的位移,因為每個軌道的位移是一樣的,所以長路徑 (相對於直線) 鐵球所花的時間比較短。 注:藍色與紅色曲線底下的面積相同。

擺線與直線的 v-t 圖

那為何擺線不同點會在同樣時間抵達終點?這是由數學的推導而來,可以證明在這條曲線上運動所花的時間,與起點的位置無關!你一定會認為路徑比較長,所花的時間應該比較多吧!

其實這有點像是小角度的單擺,在擺角小於5° 時,週期都一樣,所以不論從哪釋放,到最低點所花的時間都相同

即使人走路不會像鐵球往下滑那般的狀態,不過,我們也來腦洞一下~擺線運動屬於「正弦加速度運動」,其加速度為

而斜坡運動之加速度為

就上述實驗已說明 a_" eeimg="1"/>,忽略人體動作之因素,原因在每個軌道的位移相同時,擺線的最高點速度遠大於斜線最高點速度,所以我還是推判~從高處到低處是以彎曲的坡走得比較快。

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