旋轉,跳躍,我閉着眼,大爺大媽看了都説學不來!| 正經玩_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2022-03-13 14:13
原創:中科院物理所
作為一個重度選擇障礙者
每次糾結的時候真的彷彿一個擺鐘
今天我們就一起來做個最糾結的擺

實驗器材
所標杯、彩虹圈、支架、膠帶、橡皮泥、竹籤

實驗過程
我們來看一下彩虹圈有什麼性質:
我們先讓彩虹圈自然下垂,
輕輕擊打一下彩虹圈底部
或者用彩虹圈輕輕撞一下桌角
我們看到彩虹圈底端從一個方向的擾動
逐漸變成雜亂的橢圓運動

這其實就是一個耦合的現象,
通過彈簧螺旋的結構
將一個方向的擾動傳遞至了各個方向
而韋氏擺其實就是一個耦合現象的極致
那我們再進一步
在彩虹圈底部粘住一個尺子
將尺子抬起一定的高度然後鬆手

我們看到下落的到底部的時候
尺子開始轉動了起來
這種伸縮-旋轉的耦合
便是韋氏擺的雛形
我們可以改變彈簧的長度以及釋放的高度
再試試看


我們可以發現在合適的長度時
尺子的轉動幅度先是增大然後減小
在減小至停下片刻之後又開始轉動
當然這個尺子的轉動慣量有點小
吸收不了全部的伸縮方向的動能
我們可以用綁着橡皮泥的竹籤試一試

在竹籤飛速旋轉的時候
彈簧的伸縮幾乎暫停住了
感覺非常地奇妙
並在旋轉減弱時
逐漸恢復了伸縮的振動
原理解説
由於彩虹圈螺旋狀的結構,無論進行伸縮、擺動還是轉動都會通過內部形變而產生的張力傳遞至各個方向上,所以它們之間會互相耦合。而當耦合的兩種振動模式的頻率相近,產生共振時,互相之間傳遞能量的速率最大。
隨着彩虹圈長度的不同,伸縮方向的振動頻率變化很大,轉動方向的頻率變化相對較小。所以可以找到一個兩者接近的值,讓兩種振動模式的動能更好地傳遞。
當然相比於理想的實驗裝置,比如質量忽略不計的彈簧,彩虹圈的質量帶來的影響是很多的,比如彩虹圈在伸縮方向除了末端的振動還有內部的機械波,並且在掛着的物體較輕(比如尺子)時,旋轉的振幅會非常受限。