什么是反重力蜗牛球呢?把它放在斜坡上有趣的现象发生了

什么是“蜗牛球”?为什么同时从斜坡出发的两个小球,必定一个快,一个很慢?这是什么原理?

按理说,把一颗球放在斜坡上,在没有任何阻挡的情况下,球体应该会迅速滚到坡底。这是因为在重力的作用小球会加速向下滚动,但是当实验者拿来两个看似相同的小球,放在斜坡的同一起跑线上,神奇的一幕发生了。

什么是反重力蜗牛球呢?把它放在斜坡上有趣的现象发生了

其中一个小球迅速向下滚动,2秒钟不到的时间就滚下了这段小斜坡,这明显是在我们的日常认知当中。但另一个小球却滚动的极其缓慢,甚至等他滚动到一半的距离后,实验者可以慢步走下斜坡轻松超过了小球,奇怪的小球最后用了十几秒钟,才缓慢滚完仅仅两三米的斜坡。

这颗超出我们日常认知的小球,就是今天的主角“蜗牛球”,它的外形和普通的球没有什么两样,之所以叫这个名字,就是因为它滚动的像蜗牛一样慢。而且它不仅滚的慢,还走走停停,出现卡顿的现象,就好像看视频时网速不好一样。

而这颗“反重力”的蜗牛球,全部秘密都藏在了它的内部,原来它并不是一个实心的小球,而是内部中空的球壳。而为了更加清晰的展示它的内部,实验者找来了一个可以一分为二的透明球壳,将一颗大钢珠放在球壳中间,然后在其中倒上一些粘稠的蜂蜜,再盖上另一半球壳就制作好了一个完整的蜗牛球。

在展示完蜗牛球的内部结构后,实验者还是将蜗牛球涂成了全黑的颜色,这样看起来就像一个普通的小球。不知道其中奥妙的人,看到这个在斜坡上一顿一顿,缓慢“爬”行的小球,一定会感到惊讶。不过我们即使知道了他的内部结构,似乎也没有理解它变慢的原理。

按理说,小球里钢珠的重量是在增加小球的质量,而质量越大惯性越大,小球应该在斜坡上越跑越快才对,而加入的蜂蜜虽然很粘稠,但却是在小球内部,而不在外部,并不能起到粘滞阻力的作用。

“蜗牛球”是如何实现缓慢滚动的?卡顿的蜗牛球,又展现了怎样的力学原理?

当我们知道了蜗牛球内部的结构,是钢珠加蜂蜜的组合之后,就知道它在斜坡上,滚动很慢的原因一定是和这两个东西有关。不过蜗牛球也并不一定要是一个球,用一个圆柱形的瓶子也能够实现同样的效果。

而瓶子内需要装有和蜂蜜类似的粘稠流体,比如糖浆、胶水、洗洁精等。当实验者拿来一个装有半瓶糖浆的玻璃瓶,将其横过来侧放,就是一个现成的蜗牛瓶,放在斜坡上就能够实现缓慢滚动,走走停停的现象,而且蜗牛瓶在制作中并不需要加入钢珠。

如果这个糖浆蜗牛瓶表现的不够明显,用液体更加粘稠的胶水瓶来做实验,就会发现斜坡上的胶水蜗牛瓶,不仅滚动的非常缓慢,并且卡顿也非常明显。从瓶底的横截面上,我们能很清楚的看到瓶子里的流体液面,随着滚动和暂停,主要处在水平和倾斜的两个状态。

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这两个状态下产生力矩的不同,就是造成蜗牛瓶走走停停,出现卡顿最关键的因素。当蜗牛瓶被放置在斜坡初始位置时,内部的胶水液面呈现水平状态,产生的力矩是垂直向下,与瓶体本身产生的力矩方向重合,这样在双重力量的作用下,瓶子就会产生滚动。

不过当瓶子滚动一小截之后,内部的胶体因为粘稠附着在瓶身上,与瓶子的相对位置基本没有改变,胶体液面呈现倾斜状态,此时胶体产生的力矩与瓶身产生的力矩并不在一条线上。并且由于胶体的质量更大,产生的力矩更重,不断以垂直斜坡的方向挤压瓶子,产生一个与滚动方向相反的力,阻碍了瓶子的滚动。

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当胶体慢慢流到水平位置时,又再次回到了初始的状态,两个力矩又回到同一条直线上,共同作用在瓶身上,让瓶子产生滚动。如此反反复复,就形成了蜗牛瓶滚动缓慢和卡顿的现象,而蜗牛球中加入钢珠的做法,其实原理也是类似的。

“蜗牛球”与“蜗牛瓶”,同样都是利用黏滞性流体用力矩阻碍其滚动,那蜗牛球为何还要在内部加入钢珠呢?

在制滚动缓慢的蜗牛球时,我们可以利用中空的两半球壳,在其中加入蜂蜜、洗洁精等粘滞性的流体,然后加入一颗钢珠来实现。而蜗牛瓶却不需要加入钢珠,主要是因为瓶子中的胶水等黏滞流体本身较多,所以质量较大,可以在滚动的过程中通过黏滞作用,在不同的位置产生不同的力矩,来推动或阻碍瓶子的滚动。

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但是蜗牛球中的黏滞流体相对球体来说较少,质量也就较轻,产生的效果不明显。加入钢珠的目的就是利用钢珠和黏滞流体共同作用,黏滞流体起到阻碍钢珠随小球迅速滚动的作用,而钢珠起到的是产生重力的作用,被黏滞的钢珠通过缓慢的移动,也就在滚动和暂停的两个状态时产生不同的力,来起到相应的推动和阻碍作用。

如果不加钢珠想要实现较大重力的话,就需要向“蜗牛球”内部加入更多的黏滞性流体,但是加的过多,球体内部反而会被充满,变成了一个近似实心的球体,液体产生的力矩也更加接近球体本身,“蜗牛球”缓慢滚动的现象反而不容易实现。

一般蜗牛球内部的黏滞性流体只要加到三分之一到二分之一之间就可以了,这也是蜗牛瓶在实验时,需要将内部的粘滞流体弄掉一大半的原因,如果是全部充满的状态,则会滚动的非常快。

“蜗牛球”和“蜗牛瓶”都是一个非常有趣的小实验,因为制作起来非常简单,所以一直被当做科学教具,用来启发孩子对物理科学的探索兴趣。不过日常生活中也可以将蜗牛球稍加“伪装”,作为一个小的魔术道具来使用,都是非常有意思的。

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