车轮的谜题

请将一张彩色的纸片固定在推车车轮的轮圈侧面（或者贴在自行车轮胎的侧面），在推车（或者自行车）行进时观察这张纸片，您就可以观察到一个十分有趣的现象：当纸片位于滚动着的车轮的下半部时，这个纸片是清晰可见的；而当纸片转到车轮上半部时，您还来不及看清楚，它很快就闪过去了。

给人的感觉就好像是，车轮的上半部要比下半部运动得更快些。如果您随便找一辆行进中的马车，比较滚动着的车轮的上方辐条和下方辐条，就可以观察到同样的现象：上方的辐条连成一整片，而下方的辐条却是根根可辨的。事情又回到了这里，仿佛车轮的上半部要比下半部运动得更快些。

这种现象的谜底究竟是什么呢？谜底其实很简单，滚动着的车轮上半部分确确实实要比下半部分运动得要快一些。乍看起来，这个事实是令人难以置信的，但是只要简单地分析一下，我们就可以相信这个结论是正确的了。我们知道，滚动着的车轮上的每一个点都同时完成两种运动：围绕车轮中轴旋转，与此同时，和中轴一起向前行进。与前面讨论过的地球运动一样，我们在这里面对的也是两个运动的叠加，而运动叠加的结果就造成了车轮上半部和下半部的运动速度不一样。在车轮的上半部，车轮的旋转运动要与其前进运动相加，因为两个运动是朝同一方向进行的。而在车轮的下半部，旋转运动是朝相反方向进行的，因此需要从前进运动中减去。这就是为什么在一个静止的观测者看来，车轮的上半部要比车轮的下半部运动得要快一些。

让我们再做一个简单的实验来证明上面的结论的确是正确的，这个实验是很容易完成的。把一根木棒垂直插入小车车轮旁边的地上，让这根木棒从侧面看来恰好通过小车车轮的轴心。然后用粉笔或者炭笔在车轮轮缘的最上部和最下部各做出一个标记，从侧面看来这两个标记正好位于木棒与车轮轮缘重合的地方。现在，我们把小车向右稍微推走一点点（图7），让车轮的轴心驶离木棒20~30厘米的样子，这样我们就可以观察到前面所做的标记是怎么移动的了。结果表明，位于车轮轮缘上方的标记A移动的距离，要远远超过位于车轮轮缘下方的标记B移动的距离，而且这时标记B只是稍微离开木棒一小段距离。