ГоловнаСтаттіІграшки та Гра

Фізика Йо-йо: Обертальний Момент Інерції та Струна, Якої Неможливо Розв’язати

Йо-йо не просто падає — напруга струни розподіляє гравітаційну енергію між обертанням і рухом, а цей розподіл повністю визначається геометрією.

mysimulator teamОновлено — червень 2026≈ 6 хв читання▶ Відкрити симуляцію

Two kinds of kinetic energy from one fall

Drop an ordinary ball and every joule of its gravitational potential energy becomes translational kinetic energy, 1/2 m v^2. A yo-yo unwinding on its string does something different: as it falls a height h, the released energy mgh has to supply both the translational kinetic energy of its center of mass falling, 1/2 m v^2, and the rotational kinetic energy of its spin about its own axle, 1/2 I w^2. That split, and only that split, is why a yo-yo descends noticeably slower than free fall even though gravity is the only external force doing net work on it.

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Rolling without slipping on the string: v = wr

The string does not unwind from the yo-yo's outer rim — it unwinds from the narrow axle at radius r, which is much smaller than the disk's outer radius R. Because the string does not slip against the axle, the linear speed of the falling center of mass and the angular speed of the spin are locked together by v = w r, exactly analogous to a wheel rolling without slipping. This constraint is what couples the two energy terms into a single, solvable equation of motion instead of two independent ones.

Moment of inertia sets the acceleration

Modelling the yo-yo as a uniform disk gives I = 1/2 m R^2 about its own axis; a real yo-yo, with more mass concentrated near the rim, behaves like I = k m R^2 for some shape factor k somewhat above 1/2. Applying Newton's second law separately to the translational and rotational motion and eliminating the string tension gives a downward acceleration far smaller than g whenever the axle radius r is small compared with R, since a small r makes the moment-of-inertia term dominate the denominator.

translation:  mg - T = m a
rotation:     T * r = I * alpha,   with a = alpha * r

solving:      a = m g r^2 / (I + m r^2) = g / (1 + I / (m r^2))

small axle radius r  ->  I/(m r^2) large  ->  a much less than g

The 'sleeping' bottom and the snap-up

When the string finally runs out, the yo-yo is spinning fast, but the friction between string and axle is far too weak to stop that spin instantly — instantly halting the rotation would require a huge string tension the friction simply cannot supply. So the string goes slack and the yo-yo keeps spinning freely on the axle, or "sleeps." A small upward tug on the string re-engages the axle's grip (the deliberate "bind" technique used with modern unresponsive yo-yos), catching the string again and letting the stored angular momentum pull the yo-yo back up the string — though friction losses mean it never quite reaches its starting height, and every up-down cycle loses a little more energy.

Why a thinner axle makes a 'better' yo-yo

A narrower axle radius r increases the ratio I / (m r^2) in the acceleration formula above, pushing more of the released potential energy into spin rather than downward speed, and stretching out the sleep time at the bottom. Modern competitive yo-yos push this further with ball-bearing axles, which cut friction dramatically and let the yo-yo sleep for tens of seconds — at the cost of needing that deliberate bind to return it to the hand, since the near-frictionless axle no longer grips the string on its own the way a classic fixed axle did.

Frequently asked questions

Чому йо-йо падає повільніше за кинуту м’яч?

Це пов’язано з тим, що потенціальна енергія має забезпечити як перекладну кінетичну енергію, так і обертову кінетичну енергію під час намотування струни, тоді як кинутий м’яч перетворює всю свою потенційну енергію лише на переміщення вперед. З тонким валом більша частина вивільненної енергії йде на обертання, а не на швидкість падіння, тому прискорення падіння є часткою g, а не g саме по собі.

Чому йо-йо ‘засипається’ внизу струни?

Коли струна повністю розмотана, сила натягу струни, необхідна для зупинки обертання йо-йо, миттєво стає значно більшою за тертя у валу, тому струна ослаблюється, і йо-йо вільно продовжує обертатися навколо валу замість того, щоб підніматися назад. Невеликий рух струни вгору реагує на вал, захоплюючи його та перетворює збережений кутовий імпульс назад у підйомну силу (‘зв’язок’ для нечутливих йо-йо).

Чому конкурентні йо-йо використовують тонкий або підшипниковий вал?

Тонкий вал збільшує відношення моменту інерції до квадрата радіуса валу у формулі прискорення, що переміщує більшу частину енергії падіння на обертання та зменшує лінійну швидкість падіння, дозволяючи йо-йо ‘засипатися’ (вільно обертатися внизу) протягом тривалого часу. Підшипниковий вал ще більше зменшує тертя, продовжуючи час ‘засипання’, хоча це потребує свідомого техніки ‘зв’язку’ для повернення йо-йо до руки.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Yo-Yo Physics і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію Yo-Yo Physics

Що ви знайшли?

Додати кроки відтворення (опційно)