車輪之謎

我們可以在汽車或者自行車的車輪邊上黏一張彩色的紙片，然后觀察這張紙片在車子移動時候的情況。我們會發現一個有意思的現象，當紙片隨著車輪轉到靠近地面的地方，紙片清晰可見，而轉到頂部時，那張紙片會一閃而過，我們甚至來不及看清楚。

這是不是意味著輪子的頂部比底部移動得快呢？你可以觀察行進中的馬車輪子的上下輻條，會發現同樣的現象，輪子上方的輻條幾乎連成一片，而下方的輻條卻每根都清晰可辨。

由此可見，車輪的頂部好像的確比底部運動得快。這是為什么呢？因為滾動的輪子上的每個點都在同時做兩種運動，一種是繞車輪中軸旋轉，另一種是與中軸一起前進。與前面提到的地球運動類似，當這兩種轉動疊加的時候，輪子的頂部和底部運動速度是不一樣的。車輪頂部的運動速度需要將兩種運動速度相加，因為這兩種運動的方向相同；而在車輪底部，其旋轉運動與前進運動的方向相反，因此，車輪底部的速度就是前進的速度減去旋轉的速度。這就是為什么我們在靜止時會看到輪子的頂部比底部運動得快。

我們再來看一個簡單的實驗，可以很輕松地證明這點。如圖7所示，將一根棍子垂直插在車輪旁邊的地上，讓棍子剛好與輪軸重合，然后用筆在車輪邊緣最上端與最下端各做一個標記（A點與B點），這兩個記號應該正對著棍子。現在將車輪向前推進一點距離（大約移動一個車輪半徑的距離，如圖7所示），看看這兩個記號的變化，我們會發現A點移動的距離遠大于B點。

圖7　通過比較車輪（右）上點A和點B的距離，可以看出車輪頂部比底部移動得快