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玩具、诡计和难题:圆筒体旋转幻象(图)

2012-02-24 16:52   搜狐科学

  一些奇怪的观察结果

  对一段长度为3/4 英寸,半径比遵照3:1 的PVC管进行旋转,得出了最佳的试验结果,此次试验仍然显示,在圆筒旋转速度稳定之前,所进行的平移运动有减少的迹象,你可以继续尝试在较小的表面区域进行该试验。

  将半径比为3:1的圆筒以红点开始进行强力旋转,然后从侧面对其进行观察。在旋转了一段时间之后,红点非常清晰地显现出来,你可能会在旋转过程中的短时间内看到过5个红点。

  圆筒的旋转速度减慢之后,红点也逐渐变得清晰起来,随后你可能会在长时间内看到3个红点,这期间你应该不会看到4点出现的情况,除了稍纵即逝的情况。为何是5个红点而不是4个呢?莫非圆筒靠下的一端仍然在地板上滑动?这可能是观测时间较短造成的现象。

  图F 由于圆筒围绕其长轴进行滚动,它的运动轨迹也是一个圆周。当绿点出现的时候,速度非常快,基本看不清楚。而当红点出现的时候,速度比较慢,从上方观察下去清晰可见。图G 各种各样的装饰可以产生出千变万化的图案。图H 试验中所使用的彩色塑料胶带。

  解决办法

  另一个我喜欢这个玩意儿的原因是:它在物理和生理方面都能产生一定的影响。如果在起初选择了其他旋转方式,圆筒以一定的倾斜角度进行旋转(见图F),由于开始进行旋转的一端(涂红点)的侧面依然处于运动状态,而另一端(涂绿点)则挨着地板,最终由于受到地板的摩擦力影响,圆筒的运动速度被减低,而方向也发生了改变。

  这种旋转方式让圆筒的两端以相同的圆周进行运动,但是你所带动的一端不再挨着地板,而另一端在旋转的时候也不会发生滚动的情况。当绿点出现的时间很短,并不能被直观地看到,而当红点出现的时候,它的运动轨迹沿着圆筒的长轴,与圆筒上更大圆周的运动方向恰恰相反。因此,从上方进行观察的时候会发现红点的运动速度很慢,同时是清晰可见的。

  圆筒的长度是其直径的4倍,大圆周的直径也是圆筒直径的4倍。当滚动现象不再出现的时候,圆筒长轴在沿着大圆周进行旋转的速度也是以前的4倍,所以我们就4次看到了红点。

  当圆筒的旋转速度非常快的时候,圆筒的旋转在短时间内可能会升高至一个比较大的角度上,但是应该很快就会稳定下来。这里还有许多有趣的物理现象,涉及惯性、陀螺运动、转动能等。如果有读者想通过试验来了解这些东西,可以通过dsimanek@lhup.edu和我取得联系,我会把你的分析结果发布在我的网站上。

  现在你应该对其中的道理比较了解了,接下来可以试着进行一些富有创造性的试验了。如果你有一根比较长的白色塑料管,你可以在旋转之前对其进行各种装饰,它会为你展现出类似于“万花筒”的图案出来(见图G),星星的图案也变得简单起来。彩色塑料胶带对于该试验来说非常好用(见图H),同时也可以在以后的试验中起到标记的作用。点击进入中外玩具网首页 


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