捲紙不僅能逗貓主子,還能發現物理規律 | 正經玩

2021-03-01 中科院物理所

這期的實驗,遇到了一些困難艱險,除了翻車已經翻出了經驗,還要摸清對比實驗的參數條件,加上一地的捲紙需要去卷。小編突然想偷懶怠倦,又想到懶是萬惡之源,所以這實驗原理還是得再來一篇。(嗯,小編還真是個押韻鬼才)

實驗裝置如圖,實驗中,我們通過在捲紙的末端掛一個重物,給捲紙施加了一個短時間內近似恆定的拉力。這個力有兩個參量,一個是力的方向,另一個是力的大小。為了探究這二者對我們的實驗結果有什麼影響,我們進行了對比實驗。

實驗裝置圖

對比實驗是科研中非常常用的分析手段,通過有意識地改變某個條件得出多個結果,從而證明改變的條件和實驗結果的關係。這就好比為了弄清奶茶加不加糖哪種更好喝,兩種都來一杯喝一喝就知道了。在這個實驗中,我們主要探究了拉力的方向對結果的影響。從實驗結果可以看出,保持拉力的大小不變,拉力角度較小時,捲紙會在拉力的作用下發生滑動。而當拉力的角度增大到一定程度時,拉力的作用會使捲紙發生滾動。

那麼究竟是什麼原因導致這種現象的發生呢?我們首先分析為什麼會滾動。通過對現象的觀察可以發現,捲紙在發生滾動的過程中,其相對捲紙最外層的運動是純滾動,那麼捲紙與最外層紙面接觸的那條線就是一個瞬時轉動軸(下圖黃色點)。有了拉力以及轉動軸,就會產生一個力矩驅使捲紙轉動。只是拉力的角度較小時,拉力與轉軸之間的垂直距離(下圖藍色線)較小,其產生的力矩也就較小,而拉力的角度較大時,則能產生一個較大的力矩。

實驗中夾角較小時(上圖左),捲紙雖然受到拉力力矩,但它沒能發生轉動,這是什麼原因造成的呢?小編這裡給出自己的想法,小編認為,捲紙的幾何外形並不是一個完美的圓柱,而是類似橢圓柱(如下圖)。那麼在其發生轉動時,重心位置的變化會產生一個力矩去抵抗、平衡這個轉動。這樣一來,如果拉力力矩小於重力力矩的最大值,那拉力就無法讓捲紙滾動,只有通過增大拉力或者增大拉力的夾角來增大拉力力矩,才能讓捲紙轉動。

用不同角度去拉一卷小小的捲紙,竟然有如此截然不同的效果。小編若有所思,突然間明白了:我們遇到什麼困難,也不要怕。換個角度去面對它,消除困難的最好辦法就是解決困難。堅持才是勝利,加油,不翻車!

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