神奇的“珠鏈噴泉”之謎

王小慶

(深圳市光明區高級中學，廣東 深圳 518106)

1 引言

鏈條技術是最為普通、最為古老且廣為應用的技術之一,很多人認為物理學家已經完全掌握了鏈條的所有規律和性質,然而事實并非如此．2014年1月26日,英國BBC廣播公司之前公開了一小段視頻,在很短的時間內,視頻的點擊量超過250萬次,很多觀眾觀看了這段視頻后為之震驚,其中不乏物理學專業人士．[1]這一段視頻中展示的物理現象,在任何一個家庭里都可以被輕而易舉地重復演示.該實驗只需要一條足夠長的珠鏈鏈條,珠鏈材料可以是塑料球、玻璃球或金屬球等.把珠鏈鏈條放置在一個類似燒杯的容器里面,也可以放在其他容器里面,拉起珠鏈的一端并使之下落,就可以觀察到珠鏈并不只是簡單地由于重力作用滑向地面,而是鏈條會自發的向上運動,就像噴泉噴水那樣,如圖1所示,迅速的“流向”地面．[2]

圖1 斯蒂夫·莫爾德展示珠鏈噴泉實驗

為了消除大家的疑慮,在此表明,這些珠鏈不帶電、無磁性、無外力驅動,完全是靠自身的規律在運動．那么,這里面究竟隱藏著什么神奇的物理奧秘呢?接下來,就讓我們用已經掌握的物理知識揭開神奇的“珠鏈噴泉”之謎,為物理課堂增添一份探究的快樂體會.

2 珠鏈噴泉的奧秘

雖然大家都知道是由于鏈條自身的重力使其向下“流動”,但起初科學家們并不清楚珠鏈在落下前為什么會先躍起．來自劍橋大學的著名物理學家約翰·比金思(John Biggins)和馬克·華納(Mark Warner)2014年在《英國皇家學會報告》上發表了關于這種珠鏈運動現象的研究論文.

通過專業人員的計算研究表明,驅使鏈條向上運動的作用力并不是來自于已經脫離容器的珠鏈,使珠鏈上升的這股推力來自于還停留在容器內的那一部分珠鏈,如圖2所示．“來自容器向上的彈力才是珠鏈噴泉形成的主要原因,這出乎了很多人的意料．”比金思表示.

圖2 約翰·比金思的珠鏈噴泉原理解釋

接下來,從另一個實驗說明存在如圖2所示的向上的彈力,實驗設計如圖3所示.將珠鏈按如圖平鋪在一個臺面上,然后將珠鏈的一端拋出,可以看到珠鏈左側部分開始變得密集,珠鏈向一起靠攏,說明飛起的一端向左產生了一個反作用力,使得左側的珠鏈緊緊靠在一起.根據牛頓第三定律可知,右側飛出的一端必定受到一個向右的作用力,即向右的推力.這個推力使得珠鏈飛的越來越快,并在空中形成類似噴泉的現象．從該實驗中,我們可以清楚的看到珠鏈之間作用力和反作用力的作用機制,即未運動的珠鏈給已經運動的珠鏈一個前進的動力,這是珠鏈噴泉形成的本質原因.

圖3 珠鏈之間的作用力和反作用力

珠鏈噴泉現象的本質原因是珠鏈在此過程中可以看作“桿”模型,圓珠連接在一起后,就像一根根連接起來的桿一樣．要揭開珠鏈噴泉之謎,關鍵在于研究清楚桿的運動特點．如圖4所示,一根根桿被水平地放在臺面上,之后由于A桿受到一個向下的重力作用,使得A桿開始翻轉.翻轉時在A桿的左端產生一個向右上方的力,這個向上的力帶著平鋪在桌面上的第二根桿開始運動.由于這個力是向右上方的,所以接下來的桿會向前和向上運動,并且桿的運動速度會越來越快,這就是珠鏈噴泉現象形成的本質原因.

圖4 珠鏈噴泉中的“桿”模型運動原理

3 珠鏈現象的應用

物理作為一門實驗學科,在課堂教學中,如果能用有趣的物理實驗激發學生學習的熱情,這將會極大提高學生學習物理的積極性和主動性.神奇的噴泉實驗中暗含的物理原理是牛頓第三定律.在講解牛頓第三定律時,為了增加課堂的趣味性,可以用“珠鏈噴泉”實驗引入課堂,增加實驗探究的廣度與深度.