小安和小锋检修自行车时观察到:摇动自行车脚踏板时,大齿轮转动并通过链条带动小齿轮一起转动。小锋认为两齿轮转动一样快,小安则认为小齿轮比大齿轮快,两人带着不同的观点请教老师。
老师解释道:你们说的都有些道理,此轮转动时,其周边的齿轮绕轴心作轨迹为圆的运动﹣﹣圆周运动,可以通过轮齿的运动来研究齿轮的转动,比较物体做圆周运动的快慢有两种方法:①比较单位时间内物体通过的圆弧长,物理学中称为线速度,计算公式 (v:线速度 s:圆弧长 t:时间);②比较单位时间内物体与圆心连线(半径)扫过的角度(如图甲所示),物理学中称为角速度,用字母Ω表示,国际单位是弧度/秒(rad/s)二者之间的关系满足公式:v=Ωr,r表示圆的半径,要比较齿轮转动的快慢,就需要判断大,小齿轮上的轮齿在运动过程中各物理量的大小。
根据老师的解释,请你解答下列问题:
(1)如图乙所示,匀速摇动脚踏板时,大齿轮上某个轮齿(标记为a)在1s内从A点运动到A′点,弧长 =0.16m,则轮齿a的线速度v是多大?
(2)若轮齿a到轴心的距离r0=0.1m,其角速度ϖ是多大?
(3)A点与轴心的连线上有一点C,请你根据角速度的定义判断齿轮转动过程中A,C两点角速度的大小关系,并说明理由。
(4)小齿轮上的某个轮齿(标记为b),在轮齿a由A点运动到A′点的同时从B点运动到B′点,弧长为 ,测量发现 = .请你结合上述材料分别解释两位同学的观点。(链条长度固定且运动过程中与齿轮不打滑)