昨天你们立起来的扫把,甚至真的惊动了NASA

作者: NKXXX

来源: 中科院物理所

发布日期: 2020-02-12

文章讨论了关于扫把能够站立的谣言,并解释了其背后的物理原理,即受力平衡和重心位置的影响。文章还提到了NASA对此的回应,指出扫把站立的原理每天都是成立的,并非特定日期的特殊现象。此外,文章还探讨了地球引力变化对日常生活的影响,以及科学家们如何精确测定地球重力的变化。

居家隔离无聊到头上快要长草的第N天,楼上的人家陪着小孩玩 Switch,楼下的大妈尽情嗨歌玩家庭 KTV,只有我,无聊地看着朋友圈里的大家,往地上戳扫把……不得不说这个谣言看得小编我也很是心动,1. 一个过了这个村再没这个店的日期,2. 一个看上去足够吸引人的噱头,3. 一个随随便便就能拿到手的看似平常却似乎拥有「魔法」的道具。

2 月 11 日是个特殊的日子,美国宇航局 NASA 曾经说过这一天地球的引力最小,所以扫把能够站起来。

虽然这个内容非常像「都市传说」,但扫把毕竟真的能够立起来,这就足够给大家提供复制 + 转发的动力了,小编我也忍不住屁颠屁颠地拿起扫把试了起来。大家要不要来打个分? 满分 10 分。看大家玩的这么火热,NASA 都坐不下去下场自证清白。

宇航员 Alvin Drew 和科学家 Sarah Noble 公开回应扫把挑战,向人们展示了扫把立住的基本物理学原理其实每天都成立,而不仅仅只在 2 月 10 号成立(小编补充:当然也不仅仅是 2 月 11 号)。

我们还是把话题回到扫把上,能够把扫把立住,其实这里面问题主要还是在扫把上。关于什么是平衡,这个话题在物理上我可以和你聊一年。扫把能够稳定地站住,是因为这正是力学里面最为常见的受力平衡——物体只要所受的合外力为零,那么就能一直保持现在的运动状态。在平衡里面,还可以进一步进行分类,根据系统在平衡状态下对外界响应的不同,我们把平衡分成,稳定平衡、不稳定平衡和随遇平衡这三类。

从左到右依次为稳定平衡,不稳定平衡和随遇平衡。稳定平衡在受到扰动以后,依旧能回到原来的平衡位置;不稳定平衡在受到扰动以后,系统会放大这种扰动,从而加速偏离平衡位置;随遇平衡则是随遇而安,哪里都能平衡。像之前爆火的不倒翁小姐姐,其实就是稳定平衡的典型。对不倒翁进行稍加拨弄,就能发现它能轻易地回到原来所在的位置。

理想中的平衡曲线是山峰,山谷或是平原,但是现实往往曲曲折折。怎么判断一个系统到底是哪种平衡?其实还是要去看它的重心到底在哪里。如果一个物体的重心落在它的支撑面,也就是最外侧支撑点连接而成的几何图形以内的话,那它自然就是稳定平衡。这个椅子就是一个典型的稳定平衡。自然界中能够长久存在的一般都是稳定平衡,立扫把也是。

虽然看起来扫把的柄上有很多重量,但其实绝大部分都还是被下面的硬毛给承包了。正是因为大部分的扫把质量都集中在扫把头上,重心位置距离扫把头非常近,所以只要把扫把往平整的地上一插,让扫把的刷毛能够张开一定角度,扫把自然而然就能够立住了。如果你对扫把的重心位置有疑惑的话,不妨尝试这么一个非常简单的小实验,利用我们的双手就能测量一个物体重心的位置。

比如说我们想要知道一把扫把的重心的位置,可以把扫把架在我们的手掌的虎口处。等到我们把扫把架稳以后,让两只手之间的距离慢慢变小,缓缓靠近。记住,在这个过程中我们需要一直保持扫把稳定。等到我们双掌互相接触的时候,这个位置就是扫把的重心所在的位置了。测量重心的方法有很多,诸如铅垂法等。严格来说用上述方法得到的结论是重心在手掌所在的平面上,需要在多个方向上进行上述步骤,才能真正确定重心的位置。

假如在重心位置上做个标记的话,我们可以看到它正好稳稳地落在下方扫把鬃毛所在的范围内,所以它是一个稳定平衡。其实,这种关于重心的小把戏有很多,将一罐的饮料喝至只剩三分之一左右时,其实就可以把饮料瓶倾斜着立起来。家里有现成饮料瓶的话,可以直接加水试一试,戳图片了解详情。和这相关的内容还特别容易出现震惊体,比如《震惊!一把尺子一个锤子就能挑战基本物理定律!》。

但其实分析一下就能知道,整个系统右边重得多,绝大部分质量都集中在锤头,所以整个系统其实就是一个看起来有点复杂的钩子,自然可以稳定地勾在桌沿。

所谓「万物皆可立」,除了扫把以外,曾经也有过类似这种立蛋传说。据说在春分日这一天,地球和太阳的相对位置十分特别,使得鸡蛋受力更平衡,从而更容易立起来。不知道是不是因为大家最近都宅在家里胖三斤,所以在写谣言的时候都希望地球引力变弱了,扫把才能变得更好立起来。我必须义正言辞地将立扫把过程中的引力因素,彻彻底底地排除出去(顺便让你正视现实)。

我们都知道地球围绕太阳转,月亮围绕地球转,这两颗对地球影响几乎是最大的两个星体,对于地面上的物体引力的影响也是最大的。影响的方式就是我们天天能够见到的潮汐。通过简单地计算可以知道,同一位置地点,重力在不同时间因受周期性潮位引起重力变化量,每日最大可达 3×10-6 m/s2。月亮引起的潮汐示意图。

从影响的大小来看,潮汐对你测量体重的影响基本在小数点后面第六位或者第七位,对日常生活的影响微乎其微,潮汐对于立扫把、立鸡蛋这种事情,影响完全可以忽略不计。

虽然引力场的变化对我们无聊到去立扫把这件事情的影响很小,但是为了研究地球介质密度变化和固体地球潮汐、内部热流、固体和液体之间的质量交换、表面负荷和地震构造运动等环境因素的影响,乃至于修正天上飞着的卫星和飞机的轨道,科学家们花费了大量的力气去精确测定地球重力每天的变化情况。比如重力的变化可以让大家去探矿,去年的愚人节,各大学校教务部的网页都被人恶搞过。

多年以来,物理实验教学中心持续收到同学关于「单摆测重力加速度」这一基础物理实验的反馈,主要反映问题为实验测量数据与本地理论值相比显著偏大。当然,这也是一个谣言 ←_←

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