擺（Pendulum）

擺（Pendulum）
台中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

所謂擺是一種實驗裝置，利用一根繩子綁著一個重物所形成，可以用當成計時的工具，具有週期性運動，因此在早期還沒有先進的計時工具時，可以利用擺與機械齒輪裝置作成擺鐘。

一般而言，擺鐘可分為機械式與電池驅動式：機械式的擺鐘需要上發條，每經過一段時間，發條逐漸變鬆，將彈力位能釋放成擺鐘擺動克服摩擦力所損失的能量，因此需要重新上緊發條。電池驅動式擺鐘則為機械式擺鐘的改良，不再使用彈力位能，而改用電池驅動，省卻人為操作與技術的困擾。世界著名的擺鐘有英國的大笨鐘，它是一種機械式的擺鐘，現在已成為知名的觀光景點。

最簡單的擺叫做單擺，它是一種小角度的簡諧運動，只適用在擺角小於五度的擺動，因為角度小，所以可以視為在水平面上運動的簡諧運動，再由簡諧運動的週期公式可以推得單擺週期與擺長的根號成正比，與重力加速度的根號成反比。這代表著如果擺長愈長，週期就愈大，擺動就愈慢。這種週期與擺錘質量無關，也與擺角無關。

用來測量子彈速度的擺稱為衝擊擺。它是一個利用木塊做成擺錘的擺，當子彈打入木塊中而未穿出時，木塊吸收子彈的動能，因此產生速度，故與子彈一起往上擺動，藉由測量子彈與木塊上升的高度，就可換算出子彈打入木塊的速度。衝擊擺是一種完全非彈性碰撞，因此在計算時僅遵守動量守恆，動能並不守恆，相對地，在這種完全非彈性碰撞中，大多數的能量都轉移到熱能。

單擺是一種在同一鉛直面運動的裝置，如果我們將擺錘拉離平衡位置，再給它一個與擺錘和繩子所在平面垂直的水平初速度，這時它將作同一水平面的等速率圓周運動，因為擺線運動的立體空間形成一個圓錐，因此就稱為圓錐擺。

如果擺繩不只一根，或有其他擺重互相連接而彼此影響，稱為複擺。複擺的運動包含能量守恆，可以有不同的形式表面出來。另外有一種擺叫福科擺，它可以用來證明地球有自轉運動。

在解擺的運動中，因為屬於一種圓周運動，所以我們會使用牛頓定律的法線方程式，亦即法線力等於質量乘以法線加速度。另外還有切線方程式，亦即切線力等於質量乘以切線加速度，但在解這樣的問題時，較少被用到。另外，在單擺中，因為僅受重力做功，所以還可以利用力學能守恆式，而在圓錐擺中，因為鉛直方向不受力，亦可用來當成解題方程式。

參考資料:
http://en.wikipedia.org/wiki/Pendulum