新式“妖术”,跳舞的棒子里暗含着神秘数字

作者: 实验君

来源: 把科学带回家

发布日期: 2018-09-21

本文介绍了一种利用摆线原理的新式“妖术”,通过在塑料管两端标记X和O,观察管子转动时所见标记的变化,展示了物理现象的趣味性和教育意义。

本文由公众号“把科学带回家”提供,给孩子最好的科学教育。众所周知,把科学带回家经常介绍方便学生党在和同学打赌过程中借助理化的力量胜出的技能。今天也不例外,我们要介绍一种新式玩法,它可以让你在和同学的对战过程中百发百中,结束之后还可以秀一把你的广博的数理知识。

关键概念:摆线。材料和操作:空心硬质塑料管一根,不要太长;签字笔;玻璃一块,比如玻璃茶几(可选)。

制作过程不复杂:1. 用签字笔在金属壳,或者塑料管的一端写X,另一端写O。2. 把管子放在平坦的桌面上,然后用力按压一端,使它转动,观察你看到的是X,还是O?如果你按的是X的这一端,你只会看到X,但是如果你按的是O的这一端,你只会看到O。更神奇的是,当管子的转动稳定后,你看到的X或者O的个数总是不变的,对不对?你也可以在2端涂上不同的颜色,然后重复试一下,也会有同样的效果。

你看到的总是被按的那一端的颜色——按黑色的那端得到的是黑色,按橙色的那端得到的是橙色。

原理:斯坦福大学数学系教授时枝正(Tadashi Tokieda)解释道,实际上,你看到的神奇现象是因为管子的每一端的记号形成的轨迹都是摆线(cycloid)的缘故,而这和管子的运动方式有关。摆线:一个圆沿一条直线运动时,圆边界上一定点所形成的轨迹。在管子转动的时候,它实际上可以被看作被夹在在2个平面间运动。

管子的一端点着上面那个看不见的平面运动,另一端点着桌面运动。你的肉眼能看到的,只是上面那一端的记号。管子每一端的记号画出的线条就是摆线。为什么只能看到上面那一端的记号呢?因为,每一端的记号形成的轨迹都是摆线,摆线的性质决定了,每一端的记号在接触所在平面时的速度恰好最小,就像定住一样,因此最容易被人眼识别。毕竟,速度很快的东西你是看不清楚它的内容的。

要证明这一点很简单,你把头塞到玻璃桌子下面,然后重复做一次实验,就会发现从下面往上看的时候,看到的记号正好和从上面往下看时是相反的。而且不管是从上往下看,还是从下往上看,记号在管子稳定时的数量是一样的,恰好等于摆线和所在平面接触的次数。而这个数字,恰好等于管子的长度除以管子的直径。

明白了吗?现在你可以用这个实验来迷惑你的同学,向他们演示你可以随意控制他们能看到X还是O的“神秘力量”。

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