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网红趣味物理:黑鸟和链喷
送交者: 安博 2021年07月29日13:11:18 于 [教育学术] 发送悄悄话

对于有趣事物的好奇心是科学探索的持久动力。尽管需要是发明之母(Necessity is the mother of all inventions),但这个母亲短视而功利,不足以支持长久的没有直接用处的探索。这可能是中国人这个聪明的群体没有发现科学的一个原因。尽管古代中国人在技术发明上取得了不少的成就,但是一直没有揭开过科学的面纱。实用理性让人浅尝即止,空泛哲学让人大而化之,从而形不成一步一步向上探索的阶梯,科学也就无从谈起。

 

将科学变得有趣对于科技学习也是非常重要的。当下网红们展示的一些“超科学”现象吸引了大量的眼球,让科学变得非常有趣。其中Alex Veritasium的黑鸟(Blackbird)和Steve Mould的链喷(chain fountain)现象就是物理学中的两个极好例子。

 

黑鸟是指一辆可运动的风车,问题是它能不能比风跑得更快?直觉告诉你这不可能,因为风是它唯一的动力,它的运动怎么可能比输入更大呢?但是Alex Veritasium和他的支持者证明黑鸟可以比风跑得更快,它跑得更快的原因是在风速的基础上还叠加了风车转动所产生的推力。这是怎么回事?难道能量在此不守恒,新的能量产生了?

 

视频一:Veritasium的黑鸟介绍 (https://youtu.be/jyQwgBAaBag)

 

链喷(chain fountain)是指当一条长链从高处次际滑落时,链条在滑落处并不直接下坠,而是先上升再落下,产生了类似于喷泉的链喷现象。这一奇异的反重力上喷的动力源是什么?

 

视频二:Mould在TED介绍链喷现象 (https://youtu.be/wmFi1xhz9OQ

 

这两个有趣的现象也引起了学院科学家们的积极参与。对于黑鸟现象,美国加州大学洛杉矶分校的物理和天文学教授Alex Kusenko竟然为此和Veritasium打赌并输掉了1万美元。而对于链喷现象,英国剑桥学者在英国皇家学会会刊撰文,发表他们认为的链喷的动力,并亲自在网上讲解。这些对于科学的传播和理解都是非常有益的。

 

Kusenko教授尽管赌输了,但我还是要为他的精神点赞。科学家个人不是无所不知,但他明确地站定自己的知识立场,直到被证明为错,也是值得称赞的。黑鸟现象实际上早就存在了,“一艘帆船能否比风跑得更快”就是黑鸟现象的历史版本。帆船航行者都知道这不仅可能,并且很常见,只要风帆和风向间的夹角小于45度,船行的速度就会大于风速。但黑鸟现象比风帆问题要隐蔽得多,一方面因为它表面上看起来风是从风车正后面吹来的,但其实相对于风车上的螺旋桨叶面而言,风向形成的夹角也是斜角,这和风帆航行的情况是一样的。另一方面叶片的转动也给人一种印象,它产生了额外的推力。其实所有的动力都是风力(见下分析)。

 

关于链喷的动力来源,自2013Steve Mould发现链喷现象以来就有各种不同的解释, WarneBiggins以铰链连接的刚性棍为模型,指出在刚性棍的一端被扯起时,另一端产生反向运动,这时候支撑面就会产生了一个反作用力,从而将小棍掀起。这里链条下滑的速度越快,这个反作用力就越大,小棍被掀起的高度也就越高。事实也的确如此,在不同的高度做实验,高度越高(速度越快),链条腾起的高度也越高。

 

视频三:Biggins和Warner解释链喷现象(https://youtu.be/-eEi7fO0_O0

 

实际上还有另一个因素在影响腾空的高度,那就是链条内的应力传递。使用环环相扣的链条或使用细绳串起的圆珠都达不到用铁丝链起来的圆珠那样的高度。这里环环相扣的链条尽管更接近WarnerBiggins论文中的模型,但环环相扣的链接是自由链接,它在传递运动时效率较低,所以反作用力并不大。 另一方面圆珠串里细绳的应力差,在WarnerBiggins模型里的反作用力也较小。

 

除腾空的高度外,链喷的远近和在它空间的形状也与链条内应力有关。在腾空的过程中,链珠在空中改变运动方向,从向上运动变成向下运动,这一过程显然有一个离心力,由于重力只能是垂直方向,水平方向的力必然来自于链珠之间的应力。

 

至于腾空的链珠在空间中形成的螺旋,环,波纹等形状,它们实际上是由链珠腾起点的变动引起的,不同的腾地点给了链珠一个不同方向的初速度,这会叠加在腾空运动上,形成和腾起点相关的空间形状。

 

链喷现象看起来反常,但在日常生活中也是可见的,其中一个例子就是井绳在失控辘轳上的滑脱现象。井绳之所以会滑脱,在于辘轳失控自由转动时,井绳腾下坠的速度小于辘轳的转速,井绳中的张力消失,它就会由于微小的起始差别而空中飞舞滑脱。这类似于链喷在空间形成螺旋等形状。

 

黑鸟和链喷都可以在力学上得到解释,但这些过程能量是否守恒?特别是黑鸟比风更快的动能是从何而来?要了解其中的奥秘,让我们观察另一个看似反常的机械,这个机械就是撞击泵(Ram Pump)。撞击泵接收从矮坡上淌下的水流,然后把它泵到一个更高的山坡上,不需要任何能量。这这么可能?当你仔细看了撞击泵的工作过程就会明白,将水送到更高处的能量就来自水自身。奥秘在于撞击泵并不是将输入的全部水都送到更高的地方,而只是其中一部分水,另一部分水则在泵所在的低处流失了。所以总的结果是一部分水通过撞击泵将动能交给了另一部分水,让后者获得了更高的能量而达到更高处。整个过程只有能量的流动和转换并没有能量的产生。

 

视频四:撞击泵的工作原理(https://youtu.be/6koHqPM_zxg

 

帆船和黑鸟现象与撞击泵的原理是一样的,都是一部分流体将动能转交给了另一部分,使后者达到了更高的动能。在撞击泵里输入的水和泵出的水量不同很容易通过管道的大小一目了然,但在帆船和黑鸟里,接受的空气(风)和送出的空气(前行)的量不容易被直观看到,其实帆或螺旋桨的角度正是通过调节迎风的角度,改变接受和送出的空气量。这个量的不同可以通过风帆在迎风面和前行面上的投影比例不同而看到。另外,黑鸟里风车的转动相当于增加了叶片的面积,和帆船上风帆的大小的效果一致。

 

链喷现象中所有的能量都源于链条下落时势能的减少,那么它为什么不直接下坠,而是先玩了一个上喷的“花样”?这个花样其实是链条内部能量传递的结果,快速下降的一端将动能传递给待下坠的一端,由于链条内的应力使得临下坠的另一端获得了向上运动的动能,从而形成了类似抛物一样的链喷现象。所以链喷的花样主要是由链条下降的高度和链条本身的能量传递特性决定的。

 

黑鸟,链喷,帆船,和撞击泵这些看起来有些反常的现象,都是能量由一部分物体传递给另一部分时产生的。自然界中最为反常的现象就是生命,生命在由低级到高级,由简单到复杂的演化是逆熵增大原理的,是反常的,但在地球上生命竟如此普遍和自然。实际上生命也是能量转化过程中一部分物质将能量传递给另一部分,让其获得了较高的能量,使其系统熵减少,发生了自组织现象。所以生命不是随机发生的,而是在一定条件下能量转化和传递过程中的必然结果。这里没有熵妖和超科学,只有能量传递。

 

在此感谢慕容青草网友将黑鸟和链喷现象介绍到万维。尽管我完全不同意他对于这些现象的超科学解释,但他的博文让我留意到了这些有趣的现象和有关争论;他的辩风也反激我将自己的想法写成此文,颇有裨益。


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