Какая сила заставляет колесо катиться с горы? Что вызывает трение?

Прежде всего, крутящий момент всегда относится к заданной точке. Вы можете рассчитать крутящий момент относительно центра масс или относительно точки контакта.
Далее, любой объект, как бы он ни двигался, можно анализировать определенным образом, рассматривая чистое поступательное движение центра масс и чистое вращение тела вокруг центра масс. (Это верно, потому что в системе отсчета COM псевдосилы из-за вращения создают крутящие моменты, которые уравновешиваются относительно оси, проходящей через центр масс.) Следовательно, вы можете рассматривать катящееся колесо как перемещение центра масс. + вращение вокруг центра масс. Есть и другой способ лечения движущегося тела. Его можно рассматривать как чистыйвращательное движение вокруг оси, называемой мгновенной осью вращения (IAOR). В вашем случае катящегося колеса IAOR проходит через точку контакта колеса с уклоном. Более того,$\omega$ротация по IAOR такая же, как ротация по COM в вашем случае.

Давайте воспользуемся первым методом для анализа вашего случая. Действующие силы:
1)$F_g$который действует через центр масс и, следовательно, не может обеспечить крутящий момент для вращения.
2)$N$или нормальная реакция, которая снова проходит через COM и, следовательно, не создает крутящего момента.
3) Единственная сила, которая может обеспечить какой-либо крутящий момент, — это трение.$f$.
Теперь все они могут ускорять центр масс. Но в направлении, перпендикулярном наклону, все силы уравновешиваются и ускорения нет. По наклону поступательное ускорение равно$a=\frac{F_g\sin\theta-f}{m}$. Чтобы найти трение, помните, что трение пытается предотвратить относительное движение. Это можно сделать, сделав прокатку чистой прокаткой . Здесь точка контакта (на мгновение) неподвижна и, следовательно, не имеет относительного движения. для чистой прокатки,$v=\omega R$и$a=\alpha R$должны соответствовать действительности. Из этого$\alpha=\frac{fR}{I}$, где$I$- момент инерции относительно оси COM,$R$радиус и$\alpha$угловое ускорение. Это определяет все переменные с$I$.

Используя IAOR в вашем анализе, крутящие моменты изменяются, но физические величины$a$и$speed$оставаться прежним. Вы можете попробовать это сами.

Чтобы максимально просто ответить на ваш вопрос: крутящий момент возникает от силы тяжести. Чтобы произошло качение, сила тяжести не должна быть в состоянии преодолеть трение покоя в точке контакта с землей, иначе произойдет скольжение. Таким образом, мы можем сказать, что точка контакта является фиксированной точкой опоры. Тогда сила гравитации (включая нормальную силу), действующая через ЦМ объекта, становится силой, перпендикулярной оси нормали и смещенной от оси вращения. Поскольку стержень может свободно вращаться, он вращается. Это приводит к тому, что новая точка становится точкой контакта, моется, ополаскивается и повторяется.

Позвольте мне подчеркнуть в противовес предыдущему ответу, что сила тяжести через ЦМ может и действительно обеспечивает крутящий момент для вращения, потому что вращение сосредоточено в точке контакта с землей, а не в ЦМ.

Видите, тело катится с горки за счет действующего в нем трения. В простейшем случае необходимый крутящий момент, необходимый для качения тела, обеспечивается силой трения. Если бы не было трения, тело имело бы только поступательное движение.