每次我们喝完饮料,很快就会把塑料瓶扔掉。但是只要加一根绳子和一些沙子,塑料瓶就会向你展示出乎意料的美。
这个实验的操作很简单。把塑料瓶剪开来,在瓶盖上挖一个小洞,在瓶子的边缘也挖几个小洞方便挂绳子(小心手)。在塑料瓶里放入沙子。没有沙子的话可以用有颜色的水代替。把绳子穿在塑料瓶上,把绳子吊在高处,你就完成了一个单摆,然后就可以开始画画啦!让瓶子绕圆旋转,然后它就会在地面上画出美丽的曲线。
想要画出各式各样不同的曲线的话,你需要在绳子的末尾上再加2根长度相同的绳子,然后把它们绑在不同的地方。这样你就可以画出形态各异的曲线啦!
你得到的这些曲线叫做利萨茹曲线(Lissajous curve)。利萨茹曲线是两个沿着互相垂直方向的正弦振动的合成的轨迹。正弦振动就是从一个圆的最下面那个点沿着它的周长匀速走的时候,经过的坐标组成的曲线。
当一个单摆挂在那里在一个方向上运动的时候,它实际上在做正弦振动。一个单摆在y轴上正弦振动:一个单摆在x轴上正弦振动:如果它同时在2个互相垂直的方向上做正弦振动,就和我们图片中的这样,那么2个正弦振动就会形成利萨茹曲线。此外,单摆也在2个方向上做简谐运动(从数学上可以证明,简谐运动必然是正弦或余弦振动)。而你制作的这个单摆系统也有个高大上的名字,叫做谐波记录仪(Harmonograph)。
简谐运动的意思是,不管你一开始把它拉得多远,它完成一次摆动所花的时间(周期)是固定不变的。而从物理学上来讲,单摆越长,它的周期就越长,也就是说完成一次摆动花的时间越长。想要改变画出的利萨茹图案,就需要改变2个方向上单摆的周期。怎么做呢?很简单,给单摆加2根辫子。在和2根辫子连线垂直的方向上摆动时,2根辫子也摆动了,相当于给单摆加长了一截,所以此时周期会变长。
在2根辫子的连线方向上摆动时,2根辫子没有动,只有单摆在晃动,所以周期更短。
你还可以用颜料替代沙子,这样就可以制作出永久保存的利萨茹曲线了。亲爱的小伙伴们,你有没有尝试“利萨茹沙画”?想让更多小伙伴看到你的作品?可以把你拍到的照片发给我们哦~你也可以把孩子的小名一起发过来展示在我们推送中。我们将每月抽一次奖,送一期电子版《环球科学》!