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不可思议的“流动环”,沿着胳膊反重力爬升,这是什么原理?

神奇的“流动环”,上个世纪美国儿童的玩具,竟然可以反重力?

流动环的发明人是一位德国电器工程师约亨·瓦莱特。这位老兄无意中发明的看起很无用的东西,在上个世纪90年代风靡美国玩具市场。把它套在胳膊上可以上下滑动,非常的丝滑,还可以和同伴接力,从一只手滑到另一只手。

流动环是怎么制造的?

首先要有一个弹性的长细条铁丝,把铁丝卷在圆筒上面,绕13个圈,每个圈做上0~12的数字标记。

然后把这个铁丝绕的12个环取下来,最小数字的铁丝环排在左边,之后把1环与0环交叉一下,然后再拿出2环,用0环和1环分别与2环交叉,再回到原来的顺序,拿出3环后0、1、2环再重复上面的步骤,一直到第13个环。用第13环的接口与0环相连,这样一个流动环就做好了。

流动环为什么可以在手上滑动?把流动环放在一个小呼啦圈里,移动呼啦圈为什么流动环的位置不变?主要有两个原因。

一、陀螺效应。

在环滑动的时候,有两个方向的运动,一个是相对于棍子或者胳膊的平动,一个是自身的转动,自身的转动就引起了陀螺效应。陀螺能保持稳定的原理被称为陀螺效应,陀螺效应是指旋转的物体在受到外部扰动后,仍然能保持原有旋转轴不变的现象。这是由于物体旋转时,旋转轴会对扰动产生一个反作用力,这个反作用力会使物体绕旋转轴重新旋转,以抵抗外部扰动。

陀螺效应在日常生活中有很多应用,例如,陀螺仪可以用来稳定导弹和火箭的飞行方向,保证其准确命中目标。此外,陀螺仪还可以用于测量角度和速度,如汽车上的方向盘和车速表等。

陀螺效应的产生还与惯性有关,当一个物体处于旋转状态时,它具有一定的惯性,这个惯性会使物体保持原有的旋转状态,即使受到外部扰动也不易改变,这也是陀螺能够保持稳定的原因之一。

正因为流动环的转动,产生了陀螺效应,它的位置很难发生改变,在棍子或者胳膊上做平动的时候非常的稳、非常的丝滑。

流动环的转动是怎么产生的?没有人扒拉它?

二、最小势能转换。

下面解说下流动环上的第二个物理奥妙,重力势能与弹性势能转换。

发现没有,制作流动环的材料大部分是小钢片,这些钢片和发条片一样富有弹性。在人胳膊上上下运动时,重力势能转化为弹性势能,然后弹性势能又转化为流动环的转动动能。流动环能转动就是这样来的,又因为流动环有质量,所以就产生了陀螺效应。

从重力势能到弹性势能再到转动,这个能量的转化速度非常快,这里涉及到了最小势能转换的问题,网上可以找到清华大学物理系的教授对于流动环势能转换的研究,过程非常复杂,这里不再赘述了。

流动环能反重力,这是真的吗?

把流动环套在一个棍子上,让它往下落,然后用另一个棍子接住它,把棍子斜在空中,流动环就会自己顺着棍子向上爬。很多人看到这个神奇的现象就会认为流动环具有反重力的能力,还有人说它的名字应该叫“反重力环”。

这是一个非常严重的错误,流动环的结构很特别,前面说到它每个环的弹性势能可以转化为转动的动能。其实有一部分弹性势能释放,能够让流动环往前运动,这部分能量消耗在平动上了。因此我们看到流动环可以自主的向上爬杆,抵抗重力的影响。

那么这些弹性势能是从哪来的?

是在第一个杆子下降时重力势能转化而来的。

忽略转动不计,整个过程就和骑自行车从这个斜坡下去,然后车子冲上对面斜坡一样,全程骑手都不要用脚蹬车。在上第二个斜坡时的能量,是由第一个斜坡重力势能转化的动能提供的,毫无新意可言。

看到这里,你是不是觉得德国电器工程师真够无聊的,搞出这么个玩意,全世界大学的教授竟然还研究它。

科学就是这样,很多创新的发明和伟大的发现就是在这看似很简单的小创造中得出的。石墨烯大家都听说过吧,这材料被吹的神乎其神,第一个发现碳原子可以进行二维排布的人,他只是随意的用几块胶布去粘石墨,最后推翻了材料学之前的定律,碳原子二维排布被证明是可以的,这位老兄还拿了罗诺贝尔物理奖。

我们不能扼杀自己的好奇心,对寻常的东西也要有自己的思考,见怪不怪有时候不是什么好习惯。

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