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[科考] (三)拉绳子的诀窍及其物理解释

作者:宋宏 发布日期:2017-05-25 访问次数:188

2017年5月23日 晴

每次设备从船上起吊下水、以及从海里吊回船上时,都需要在设备四周用绳子拉住,以防设备在空中晃动。脐带缆从空中绕过A字架的定滑轮吊住设备,船上四根绳子拉住设备四个角。

第一次拉绳子是受到了陶总的鼓励,迈出了第一步。陶总还告诉我两个诀窍:第一,绳子一定要绕过船上的栏杆或者柱子,不然没法用力;第二,一定要在设备晃到自己这边最高点时用力拉住,不然,越用力设备晃得越厉害。开始两次拉绳子都是跟在别人后面,别人说用力就用力,说松开就松开;后来几次有机会自己单独拉绳子了,按照陶总传授的诀窍,屡试不爽!

上午拉完绳子后就在想:物理解释在哪里呢?

绳子绕过船上的栏杆或者把手,可以把栏杆或者把手想象成一个定滑轮。力的方向变了。力的大小在理想状况下不应该变化,但是也因为有摩擦力,所以也变了。对于设备来说,外来拉力的起点(源头)就是绳子所绕过的栏杆或者把手,拉力的方向从设备指向栏杆(或者把手)。栏杆和设备的高度越接近,同样大小的力在水平方向的分量就越大,力的作用就越明显。对人来说,用力的方向固定了,只要从栏杆往下或者斜下方拉绳子就可以,这个方向比较容易用力;不然的话,设备升降的时候拉绳子的方向还要发生变化,而有的方向是不太好用力的(这和人的骨骼结构、肌肉分布有关,想想健身房里的各种器械和不同玩法,不就是靠改变用力的方式来练肌肉的吗?)。而且,绳子和栏杆之间有摩擦力,这个摩擦力可以起到缓冲的作用,靠拉力增加摩擦。还有一个很重要的因素,那就是安全。如果不小心用力太大、设备晃过来了,那也只是朝着栏杆/把手晃过去的,不会直接冲着人。万一绳子把人带得走了,那也是朝着栏杆过去的,不是直冲着设备,设备下面可是相当危险的!

第二个诀窍的解释大概是这样的。力和加速度是比例关系,而速度是加速度的一次积分,所以设备的速度是绳子拉力的一次积分,当然还必须要考虑刚开始用力时设备的初始速度(求积分的时候常数项是非常重要的,初始速度就是这个常数项),大概可以这么表示:

v(T)= int_0^T F(t)/m dt + v0,

其中v(T)表示T时刻的速度,int 表示积分(仿照latex格式),积分从0时刻开始直到T时刻,F(t)表示t时刻的力,m表示质量,v0表示开始用力时的初速度。

当设备晃到最高点时,速度为零,这时候绳子上的拉力只要平衡设备上所受的力就可以了,比如重力、别的绳子的拉力,而不用考虑速度的影响(初始速度常数项v0为零,只要让积分号内的合力F(t)为零就可以保证整体速度为零)。否则,当物体还在晃动的时候施加一个力,这个力即使平衡了别的所有力,物体还是会因为惯性晃来晃去的。更坏的情况是:设备往对面晃过去的时候,为了让设备回来猛拽一下,结果设备晃回来的速度变得更快了......

对于这样一个有初始速度、带约束条件(只能拉绳子,不能推绳子)的力和速度的一阶动态系统,研究一下怎么让系统在最短的时间内速度归零、或者位置的稳态误差归零还挺有意思的。不过对于现场操作来说,最简单的、最有效的方法就是:在设备往自己这边晃到头的时候用力把它拉住,不让它再晃回去,然后慢慢松绳子,让它缓慢回归中心位置!

这就是船上的生活。有时间、有心情想和写。好几天没有接到电话、短信,也不用不停地看邮件,生活一下子变得简单了!

(宋宏)