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旋转,跳跃,我闭着眼,大爷大妈看了都说学不来!| 正经玩

荔枝&荷塘 中科院物理所 2022-05-17

作为一个重度选择障碍者

每次纠结的时候真的仿佛一个摆钟

今天我们就一起来做个最纠结的摆



实验器材


所标杯、彩虹圈、支架、胶带、橡皮泥、竹签


实验过程




我们来看一下彩虹圈有什么性质:

我们先让彩虹圈自然下垂,

轻轻击打一下彩虹圈底部

或者用彩虹圈轻轻撞一下桌角

我们看到彩虹圈底端从一个方向的扰动

逐渐变成杂乱的椭圆运动


 

这其实就是一个耦合的现象,

通过弹簧螺旋的结构

将一个方向的扰动传递至了各个方向

而韦氏摆其实就是一个耦合现象的极致

 

那我们再进一步

在彩虹圈底部粘住一个尺子

将尺子抬起一定的高度然后松手



我们看到下落的到底部的时候

尺子开始转动了起来

这种伸缩-旋转的耦合

便是韦氏摆的雏形

 

我们可以改变弹簧的长度以及释放的高度

再试试看




我们可以发现在合适的长度时

尺子的转动幅度先是增大然后减小

在减小至停下片刻之后又开始转动

 

当然这个尺子的转动惯量有点小

吸收不了全部的伸缩方向的动能

我们可以用绑着橡皮泥的竹签试一试



在竹签飞速旋转的时候

弹簧的伸缩几乎暂停住了

感觉非常地奇妙

并在旋转减弱时

逐渐恢复了伸缩的振动

原理解说





由于彩虹圈螺旋状的结构,无论进行伸缩、摆动还是转动都会通过内部形变而产生的张力传递至各个方向上,所以它们之间会互相耦合。而当耦合的两种振动模式的频率相近,产生共振时,互相之间传递能量的速率最大。


随着彩虹圈长度的不同,伸缩方向的振动频率变化很大,转动方向的频率变化相对较小。所以可以找到一个两者接近的值,让两种振动模式的动能更好地传递。


当然相比于理想的实验装置,比如质量忽略不计的弹簧,彩虹圈的质量带来的影响是很多的,比如彩虹圈在伸缩方向除了末端的振动还有内部的机械波,并且在挂着的物体较轻(比如尺子)时,旋转的振幅会非常受限。


上期回顾
No.293 好好学物理,冲泡丝滑饮品的秘密拿捏了!| 正经玩

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票数最多的前两粉丝将获得

所标杯

一个

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对于 本期实验 的投稿

我们将在 下期 进行投票

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编辑:荔枝


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