旋转,跳跃,我闭着眼,大爷大妈看了都说学不来!| 正经玩_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2022-03-13 14:13
原创:中科院物理所
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。