神奇的“珠链喷泉”之谜

王小庆

(深圳市光明区高级中学，广东 深圳 518106)

1 引言

链条技术是最为普通、最为古老且广为应用的技术之一,很多人认为物理学家已经完全掌握了链条的所有规律和性质,然而事实并非如此．2014年1月26日,英国BBC广播公司之前公开了一小段视频,在很短的时间内,视频的点击量超过250万次,很多观众观看了这段视频后为之震惊,其中不乏物理学专业人士．[1]这一段视频中展示的物理现象,在任何一个家庭里都可以被轻而易举地重复演示.该实验只需要一条足够长的珠链链条,珠链材料可以是塑料球、玻璃球或金属球等.把珠链链条放置在一个类似烧杯的容器里面,也可以放在其他容器里面,拉起珠链的一端并使之下落,就可以观察到珠链并不只是简单地由于重力作用滑向地面,而是链条会自发的向上运动,就像喷泉喷水那样,如图1所示,迅速的“流向”地面．[2]

图1 斯蒂夫·莫尔德展示珠链喷泉实验

为了消除大家的疑虑,在此表明,这些珠链不带电、无磁性、无外力驱动,完全是靠自身的规律在运动．那么,这里面究竟隐藏着什么神奇的物理奥秘呢?接下来,就让我们用已经掌握的物理知识揭开神奇的“珠链喷泉”之谜,为物理课堂增添一份探究的快乐体会.

2 珠链喷泉的奥秘

虽然大家都知道是由于链条自身的重力使其向下“流动”,但起初科学家们并不清楚珠链在落下前为什么会先跃起．来自剑桥大学的著名物理学家约翰·比金思(John Biggins)和马克·华纳(Mark Warner)2014年在《英国皇家学会报告》上发表了关于这种珠链运动现象的研究论文.

通过专业人员的计算研究表明,驱使链条向上运动的作用力并不是来自于已经脱离容器的珠链,使珠链上升的这股推力来自于还停留在容器内的那一部分珠链,如图2所示．“来自容器向上的弹力才是珠链喷泉形成的主要原因,这出乎了很多人的意料．”比金思表示.

图2 约翰·比金思的珠链喷泉原理解释

接下来,从另一个实验说明存在如图2所示的向上的弹力,实验设计如图3所示.将珠链按如图平铺在一个台面上,然后将珠链的一端抛出,可以看到珠链左侧部分开始变得密集,珠链向一起靠拢,说明飞起的一端向左产生了一个反作用力,使得左侧的珠链紧紧靠在一起.根据牛顿第三定律可知,右侧飞出的一端必定受到一个向右的作用力,即向右的推力.这个推力使得珠链飞的越来越快,并在空中形成类似喷泉的现象．从该实验中,我们可以清楚的看到珠链之间作用力和反作用力的作用机制,即未运动的珠链给已经运动的珠链一个前进的动力,这是珠链喷泉形成的本质原因.

图3 珠链之间的作用力和反作用力

珠链喷泉现象的本质原因是珠链在此过程中可以看作“杆”模型,圆珠连接在一起后,就像一根根连接起来的杆一样．要揭开珠链喷泉之谜,关键在于研究清楚杆的运动特点．如图4所示,一根根杆被水平地放在台面上,之后由于A杆受到一个向下的重力作用,使得A杆开始翻转.翻转时在A杆的左端产生一个向右上方的力,这个向上的力带着平铺在桌面上的第二根杆开始运动.由于这个力是向右上方的,所以接下来的杆会向前和向上运动,并且杆的运动速度会越来越快,这就是珠链喷泉现象形成的本质原因.

图4 珠链喷泉中的“杆”模型运动原理

3 珠链现象的应用

物理作为一门实验学科,在课堂教学中,如果能用有趣的物理实验激发学生学习的热情,这将会极大提高学生学习物理的积极性和主动性.神奇的喷泉实验中暗含的物理原理是牛顿第三定律.在讲解牛顿第三定律时,为了增加课堂的趣味性,可以用“珠链喷泉”实验引入课堂,增加实验探究的广度与深度.