这个gif中,15米长的小钢珠链条下落时呈现出了液体“虹吸”般的效果,但是为什么链条会喷得这么高呢?

BBC科学节目主持人Steve Mould拼出了一条15米长的小钢珠链条,由于下落时的链条长度永远多于上升的部分,因此就呈现出了仿佛液体“虹吸”般的效果。不过为什么链条会喷得这么高呢?
http://weibo.com/1678843974/zCU0g5A1I


网址:stevemould.com/siphoning-beads

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29个答案
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欢仔258光学工程硕士

2013-06-24 18:10

下面这些分析错的,大家不要顶我了……根据视频,小球都木有挨上……
前几天去做了个实验,没有成功。过几天去多买点,再试试!期待我的结果吧!

忽略我下面的解释吧……
猜测原理可能是因为力的相互作用,小球受到相邻小球向上的分力,当向上的力大于重力,小球就会向上走。

实验中用的是4.5mm金属珠链,中间有一段空隙。

我想是因为有这段空隙,而且这一段是硬的,使两个小球的下半部分顶在一起,导致了两个小球在运动过程中产生角度。分析图中右二球,由于左右两球从下半部分挤压它,使它获得了斜向上的分力,合力朝上,所以球会往上走。(受力分析不准,只做初步分析用)


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@K.L.lambda 认为:
受到拉动的链条,每个节点的受力是沿链条方向的张力。对于每个节点,左侧相邻节点向左拉,右侧相邻节点向右拉,这样链条才能伸展开。要是往中间挤链条就蜷缩成一团了。

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Bossa科学客-Bossa

2013-07-01 22:06

这其实就是我们物理课上,用一条绳子做波的运动试验的一个变种。可以改变一下思路,一条绳子抖动一下,波会往前走,那么如何让观察者觉得波停在原地呢?那就是让绳子的运动方向与波的方向相反,并且其速度和波保持一致,这样对观察者来说,波感觉就像固定在那里不动了。这个实验平常做很难,但通着这家伙的方法,就很简单的实现了。绳子的速度来自于下垂部分铁链受到重力的加速度,波的动力,来自于铁珠链撞击杯子的反弹。

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啥也薄试远洋航天测控工程师

2013-06-25 09:05

以前我见过这样类似的运动,不过是一根50Ω的同轴电缆(比我们有线电视75Ω的电缆细很多),长度有二十多米吧,刚给剥了屏蔽皮,非常光滑,当一端从船舷边滑落的时候,瞬时出现电缆线脱离支撑悬空的现象,类似图中,当时我们觉得可能是电缆有一定强度,弯曲弧度不能太大,速度又很快,凭空把后面的缆线给拽起来了,导致的这种现象,就和@欢仔258 说的意思差不多。也有认为是船舷边缘的反作用力使得缆线弹了起来,不过这个说法没办法解释图中的钢珠绳与杯子无接触的情况。
可惜当时没有好好思考过,坐等大家的解释。

有没有人实地做一下实验啊?

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aeinstein自然科学爱好者,传统文化爱好者

2013-10-20 10:45

虽然我觉得由于惯性力导致链条飞起来这个解释是正确无误而且比较显然的。但是还是有朋友会有自己不同的看法和理论。大部分情况下这些理解是因为没有亲手做过这个实验,凭空设想,从而进入许多误区。为了澄清许多错误的理解(比如链条撞击地面导致波动回传,或者杠杆效应),我做了下面这个实验,希望能有所帮助。在这里既没有杠杆效应,也没有撞击地面。

点击访问视频
有几个朋友自己买了链条做了这个实验,视频请看帖子:http://www.guokr.com/post/515464/

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可以看到人抖鞭子的作用机理,是相同的。

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链条高速运动,各处速度一样。然后,新加入的质量元和整条链子发生完全非弹性碰撞,获得速度向上。所以这个问题在稳定运动中是没有加速过程的!要考察链子飞了多高必须考虑非平衡态的输运过程,也就是要考察稳定速度建立的过程!

问题没有那么简单的!

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链条上升的那个高度,保证了重力能够提供足够的向心力。

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halalia自认为保守的万金油

2013-06-25 19:58

假设链条下落的速度是恒定或是变化很小的,或者干脆不假设
反过来,假设链条没有“腾空”,而是被拉到杯口边缘,然后突然继续下落。
显然这是不可能的,那样杯口边缘链子质点运动就是半径很小的近似圆周,需要极大的径向加速度,重力是不够的。
这时候看待圆周运动,不妨看做惯性使然。没有一个足够的、让向上运动的链条质点/链环急速改变方向的外力,那么质点/链环就只能继续向上飞,在温吞水的以重力为代表的外力下缓慢改变方向,形成一个“圆周”。也就是腾空了

直觉说这个圆周的大小同g、同链条的“密度”是有关的,杯内高度和杯外高度、速度是有关的。
很违反直觉的是,拉力竟然沿着悬空的、改变方向的路径传递了

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支持者: b16-6er

有可能是那个凸起部分是一个相对链条运动的波峰,由于链速和波速碰巧或者趋向于相等,看起来就像是有一个凸起,而且开始好像是抖了一下。

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支持者: fengfeixue0219 donizyo

玄机在于选取一段所用的绳子(貌似视频中用的是我们钥匙链常用的由小球体串成的链)有一个最大曲率,形象地说这种链子围成的圆形有一个最小半径r,半径小于r的圆这种链子是围不出来的。视频中链子运动轨迹顶端就是最小半径的半圆。而贴着杯口滑下是最经常见到的现象,这时的绳子一小段就可以弯曲很大弧度。视频中的珠链是不可以弯曲到那么小程度的,此时运动轨迹半径r大于杯子,我们觉得不可思议的部分就是离开杯口的那部分,而这部分就是最小半径的那个半圆。

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支持者: 幽灵曲奇

这个问题复杂在于整个系统处在重力作用的非惯性系中,借用广义相对论等效原理中的升降机思想实验,我们首先把它变换成惯性系。

想象整个系统处在太空的失重环境中,盛装链条的瓶子以加速度g加速上升。可以想象,瓶子里的链条源源不断从瓶子里露出来,链条因为处在失重状态中,忽略瓶口的拖拽作用,流出瓶子的链条整体基本处于静止。瓶子加速运动,瓶子里的链条被压紧,并不会自发向上喷出。如图:

大图:
https://2-im.guokr.com/Gy7tg-Y3U-jyRYpl7r0LbHLtGKBfszZi0jHfOYMWOP0-DwAAkgMAAFBO.png

只有一种可能性,就是同时还存在一个加速上升的“地面”,地面撞击了链条的尾端,形成了一列机械波(可能是横波也可能是纵波,图上以横波为例),波峰传到瓶口处的链条,于是该处的链条升起来与瓶口分离。

可以看出,链条要能升起来,有两个必要条件:1.尾端落地,2.链条有一定硬度和弹性,足以传导机械波至顶端。

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看了视频慢放发现,还是我最初的直觉是对的,上面的分析有漏洞。简单说就是惯性。

变换到惯性系后可以看出,上升段的速度接近杯子速度的二倍,所以链条没被压紧,有腾空的空间。杯子和下降段速度差越大,上升段动能就越大,飞起的就更高。

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支持者: halalia colza

重力提供的向心力不足以维持每个钢珠绕过杯壁做圆周运动,钢珠做离心运动往上。

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事实上我的猜想是这 样的,物理的的运动分为两个状态,一为开始时到和体面没有接触,二是物理与地面有了接触到最后物理全部落地。由视屏可以看出初始时刻主持人给了链子一个较大的初速度于是链子向水平方向运动,但由于(讨论最前一个球的情况)球受重力作用使得合速度成一定角度斜向下于是对联结杆有一个斜向下的拉力。有牛三定律知杆受一个斜向上的力,同时由于整体链速度较大向心力过小,于是球二会飞起来。在球一运动的同时由于联结杆的作用,球一所受合力处于斜左下,水平速度逐渐减小,合速度逐渐靠近竖直向下方向。有前面推导过程知此时球二便手更靠近竖直向上的力,所以这是一个类似积分的过程。当物理接触到地面后地面给予链子一个支持力。由于竖直作用方向力整体动能减少前一个球给球(任取运动中的三球的中间一球)的力变为阻力,球速度减小,球受到的合力减小,动能减少,于是链子慢慢又降下来。没有图可能讲得不是太清楚。见谅

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卡内其古哈好奇大叔,好吧,已经大叔了T.T

2013-06-25 14:53

都么贴这个链条具体啥形式的。如果弹性够足的话必须能弹起来,或者谁材料变形能力不足。

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我觉得是惯性的作用,钢珠条前端带动高速下落,后端钢珠的运动就趋向于珠链的切线方向,也就是说后端想保持平直,自然就会上扬。而同时,次后端钢珠的重力抑制了后端钢珠的上扬,于是形成这种现象。

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钢珠被拉扯向上运动。由于惯性,它总要运动一段距离(H)才能将方向转为向下运动。当H大于杯子边缘高度时,就会飞起来。
杯子边缘正上方的那颗钢珠(a)在垂直方向的速度几乎为零,水平向右的速度很大,它其中的一个作用就是将向上运动的钢珠拉扯到杯子外面。如果钢珠(a)突然碎了,向上运动那段钢珠由于惯性,会上升一段距离,然后掉落。

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Ura商业摄影师、讲笑话爱好者

2013-06-26 10:06

加速度被累积了。

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想象有这么一个滑轮组,两个滑轮固定,有一条皮带绕在上面,下面的滑轮提供转动的动力,当速度足够快时,上端的圆弧提供的离心力和皮带的重力相抵消,这时如果拿掉上面的滑轮,会发生什么?

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Maverick506非爱好翻译者

2013-06-25 12:14

会不会是冰棍炸弹的原理……

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我觉得吧...小球应该是带有磁性的

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多简单的问题……


首先,如果让链子上端绕过一个透明的滑轮——现在,是不是可以得到“虹吸效应”了?
当然,事实并不是什么“透明滑轮”之类的障眼法。没那么简单。

然后,注意这是链子,不是物理课本上抽象的“细线”——这什么意思?
意思就是,链子是一系列质点,而不是无质量的“抽象线条”。

既然是质点,那么它绕滑轮转动时,就会产生一个离心力,对吧?
由离心力公式可知,当速率恒定时,滑轮半径越小,离心力就越大;滑轮半径恒定时,速率越大,离心力也越大。


那么,如果我们缩小这个“看不见的滑轮”,直到离心力足够大(大到滑轮上端不再受力)——现在,拿掉滑轮,会发生什么?

当然是和有滑轮时一样了。


所谓的“虹吸效应”,就这么简单。

当然,实际计算时,要考虑同时存在“滑轮缩小”和“滑轮位置下移”(提高通过速率)两个因素,所以准确的计算公式并不那么简单。

http://www.guokr.com/post/515464/

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小珠子从杯子里掉到地上,总得先爬出来,因为它是有弹性的,总不能像绳子一样走个折线,所以得是个弧线,所以就飞起来了

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无法理解,很神奇哦,话说学物理虹吸我都不太明白。

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kulouzhi机械设计时

2013-06-25 10:22
支持者: invalid

你们都回去复习牛顿第一定律!现在的年轻人真无语。

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看了诸多回答很是感觉到了“不是答案”按钮的重要性。。。
我要很严肃的说,没有人觉得是张压定律的原因吗?http://www.guokr.com/post/292759

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心理学,医学

2013-06-25 06:15

如果这个视频是假的,那么,科学的解释就很可笑,也让我们开始反省,到底还有什么是冠以科学的强词夺理,避免焦虑的心理机制,

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