永动机是不可能实现的,因为它们违反了能量守恒定律。但是,今天就要教你制作一种魔法转轮。乍看之下,它似乎不靠任何能量就能自己转起来,非常之神秘。把它摆到有光的地方,它就可以滴溜溜地转,简直就像藏着一只暗能量的仓鼠在里面呢!
关键概念热收缩
材料和操作
一次性纸杯2个
竹签
几个聚乙烯垃圾袋,薄一点比较好
剪刀
直尺
胶带纸/胶水
做法很简单:
1. 把两个纸杯屁股对在一起粘好,然后在正中心扎一个洞。
2. 沿着垃圾袋的开口边缘,切几条薄膜条出来,然后把它们拉伸到原本的2-5倍长,然后修剪到和2个纸杯的总长度差不多,贴在2个纸杯的边缘。
3. 用一根竹签穿过纸杯中心,然后把竹签架在能够麻溜地滚动的物体上。
4. 把你的装置放到太阳下面,或者放到灯泡下面,看它神奇地开始转动吧!如果你制作顺利,那么它的转速可以达到每分钟50-60转。
什么方向都可以转:
做成大号的也可以转起来:
遮住光,魔法转轮就不转了呢:
挂一个铃铛,就可以当简易小秒表了呢:
原理
这种神奇的装置叫做太阳能马达(solar motor)。聚乙烯是一种半晶体聚合物(semicrystalline polymer),也就是说,它和盐啊,砂糖一样,内部有一些类似晶体的结构。当然,它的晶体是由含碳的分子链形成的,不过有些碳链并不规则,它们像面条一样搅和在一起,没有形成晶格,这种状态被称为无定形(amorphous)。
我们一般认为,物体是会热胀冷缩的是吗?可是聚乙烯薄膜却刚好相反。聚乙烯的碳链非常非常长,有时候里面可以包含2万个原子,因此一条碳链上有些地方无定形,有些地方则形成了晶格。当聚乙烯薄膜被拉扯的时候(术语叫冷拉),它可以变成原来的几倍长,而里面的碳链就会被扯得紧紧的。
如果在这个时候,悄默默地加热薄膜,那么里面的碳链晶格就会变得更加紧密,薄膜看起来就会收紧,就像肌肉收缩一样。这个过程叫做热收缩(thermal retraction)。反之,如果给拉紧的薄膜降温,那么晶格就会变得稀疏,薄膜就会变得松弛,就像肌肉放松一样。
聚乙烯的内部结构示意图,蓝色是晶体结构,黑线是无定形结构。聚乙烯薄膜被拉扯时,如果被加热,那么它就会像肌肉收缩一样收紧,这叫做热收缩。当你的转轮被放在太阳或者灯泡下的时候,上面的聚乙烯薄膜受到了更多的热量,它们就会收缩,纸杯上下两边的薄膜的拉力变得不平衡,它就会开始转动。而当受热的薄膜跑到了下方的位置,因为冷却它就会变得松弛,拉力就减少了。这样一松一紧的规律变化就可以让转轮一直旋转下去。
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