自制让水变“懒”的实验

文/ 李文卓 邵明辉

天宫课堂里的水球变“懒”实验利用了阻尼振动的原理。我们一起来做一个小实验，理解一下什么是阻尼振动吧。

一个圆柱形瓶子、一块20cm×30cm的泡沫板、两个塑料杯、一个小球、清水、墨水

1在两个塑料杯中都注入半杯水，然后点几滴墨水。将小球放入其中一个塑料杯中。

2把两个塑料杯放在泡沫板上，把圆柱形瓶子放倒在泡沫板下方。

3前后滚动泡沫板，观察两个塑料杯中水的情况。

你会看到没有放小球的塑料杯中会溅起更多的水花，水面波动更大。

通过太空水球变“懒”实验，我们可以学到以下几个概念。

概念一点通

振动

振动是物体的往复运动，是自然界最普遍的现象之一，大至宇宙，小至基本粒子，无不在振动。比如鸟儿落在树枝上，引起树枝振动；石子儿落水，引起水面振动；声带的振动让我们发出声音，耳膜的振动让我们听到声音……在中国空间站中，刘洋老师用注射器喷出空气，吹向水球，水球就开始振动。

阻尼振动

对于一个振动系统来说，若振动物体偏离平衡位置后，仅在回复力的作用下做的振动叫作自由振动。而在实际的振动中，往往是存在阻力的，因此振动的物体需要不断地克服阻力做功，这样系统的机械能就会不断减小，导致振幅不断减小，直到振动停止。在物理学当中，我们把振幅不断减小的振动叫作阻尼振动。例如，汽车在凹凸不平的路面上行驶时会发生大幅度的振动，可以使用减震器来增大阻尼，使振动减弱或停止，减少车辆在行驶过程中的颠簸，提高乘客的舒适度。

受迫振动

阻尼振动最终会停下来，那怎么才能产生持续的振动呢？最简单的办法就是施加周期性的外力，用外力来补偿系统的能量损耗，从而使振动维持下去。而这种周期性的外力驱动的振动就叫作受迫振动。例如钟表的发条为钟表补充能量就是受迫振动。

共振

一个做受迫振动的物体，当其驱动力的频率等于固有频率的时候，物体振幅达到最大的现象称为共振。有一个非常有名的关于共振的故事，是说一队士兵迈着整齐划一的步伐通过一座大桥，结果士兵步伐造成的振动与可以引起大桥共振的频率一致，桥的振幅被不断加大，最终大桥断裂坍塌，导致很多士兵落入水中。

原理揭秘

回顾前面的实验，当我们用力摇晃泡沫板时，没有小球的杯中溅起的水花之所以比放了小球的杯子的水花更多、更大，是因为我们给杯子中加的小球相当于一个阻尼器。当外界给水杯施加力的时候，阻尼器因为惯性，振动状态比水的振动要慢，较慢的振动会对水产生一个阻尼作用，这样就减小了杯子中水的振动。在空间站中，航天员给水球喷气时，水球发生了剧烈的摇摆，而加入一个空心钢球之后，再用同样大小的力度冲击水球时，钢球就发挥了阻尼器的作用，阻碍了水球的振动，所以水球的振动与第一次相比变小了。建造中国台湾的台北101 大楼时也利用了这个原理。大楼高500 多米，如果有台风来袭，大楼很容易发生摇晃，因此人们在88～92 层安放了大大的阻尼器来减弱振动或强风带来的冲击力，当大楼受风力影响左右晃动的时候，阻尼器会向与之相反的方向摆动，来保证大楼的安全。

轻松答题

阅读完以上内容，请判断下列哪些说法是正确的。（ ）

A.振动是物体的往复运动。

B.阻尼振动是一种振幅不断减小的振动。

C.太空实验中水球变“懒”是因为加入的钢球减小了水球的振动。

D.在太空失重环境中，空间站中的物体不会发生振动。