自制讓水變“懶”的實驗

文/ 李文卓 邵明輝

天宮課堂里的水球變“懶”實驗利用了阻尼振動的原理。我們一起來做一個小實驗，理解一下什么是阻尼振動吧。

一個圓柱形瓶子、一塊20cm×30cm的泡沫板、兩個塑料杯、一個小球、清水、墨水

1在兩個塑料杯中都注入半杯水，然后點幾滴墨水。將小球放入其中一個塑料杯中。

2把兩個塑料杯放在泡沫板上，把圓柱形瓶子放倒在泡沫板下方。

3前后滾動泡沫板，觀察兩個塑料杯中水的情況。

你會看到沒有放小球的塑料杯中會濺起更多的水花，水面波動更大。

通過太空水球變“懶”實驗，我們可以學到以下幾個概念。

概念一點通

振動

振動是物體的往復運動，是自然界最普遍的現象之一，大至宇宙，小至基本粒子，無不在振動。比如鳥兒落在樹枝上，引起樹枝振動；石子兒落水，引起水面振動；聲帶的振動讓我們發出聲音，耳膜的振動讓我們聽到聲音……在中國空間站中，劉洋老師用注射器噴出空氣，吹向水球，水球就開始振動。

阻尼振動

對于一個振動系統來說，若振動物體偏離平衡位置后，僅在回復力的作用下做的振動叫作自由振動。而在實際的振動中，往往是存在阻力的，因此振動的物體需要不斷地克服阻力做功，這樣系統的機械能就會不斷減小，導致振幅不斷減小，直到振動停止。在物理學當中，我們把振幅不斷減小的振動叫作阻尼振動。例如，汽車在凹凸不平的路面上行駛時會發生大幅度的振動，可以使用減震器來增大阻尼，使振動減弱或停止，減少車輛在行駛過程中的顛簸，提高乘客的舒適度。

受迫振動

阻尼振動最終會停下來，那怎么才能產生持續的振動呢？最簡單的辦法就是施加周期性的外力，用外力來補償系統的能量損耗，從而使振動維持下去。而這種周期性的外力驅動的振動就叫作受迫振動。例如鐘表的發條為鐘表補充能量就是受迫振動。

共振

一個做受迫振動的物體，當其驅動力的頻率等于固有頻率的時候，物體振幅達到最大的現象稱為共振。有一個非常有名的關于共振的故事，是說一隊士兵邁著整齊劃一的步伐通過一座大橋，結果士兵步伐造成的振動與可以引起大橋共振的頻率一致，橋的振幅被不斷加大，最終大橋斷裂坍塌，導致很多士兵落入水中。

原理揭秘

回顧前面的實驗，當我們用力搖晃泡沫板時，沒有小球的杯中濺起的水花之所以比放了小球的杯子的水花更多、更大，是因為我們給杯子中加的小球相當于一個阻尼器。當外界給水杯施加力的時候，阻尼器因為慣性，振動狀態比水的振動要慢，較慢的振動會對水產生一個阻尼作用，這樣就減小了杯子中水的振動。在空間站中，航天員給水球噴氣時，水球發生了劇烈的搖擺，而加入一個空心鋼球之后，再用同樣大小的力度沖擊水球時，鋼球就發揮了阻尼器的作用，阻礙了水球的振動，所以水球的振動與第一次相比變小了。建造中國臺灣的臺北101 大樓時也利用了這個原理。大樓高500 多米，如果有臺風來襲，大樓很容易發生搖晃，因此人們在88～92 層安放了大大的阻尼器來減弱振動或強風帶來的沖擊力，當大樓受風力影響左右晃動的時候，阻尼器會向與之相反的方向擺動，來保證大樓的安全。

輕松答題

閱讀完以上內容，請判斷下列哪些說法是正確的。（ ）

A.振動是物體的往復運動。

B.阻尼振動是一種振幅不斷減小的振動。

C.太空實驗中水球變“懶”是因為加入的鋼球減小了水球的振動。

D.在太空失重環境中，空間站中的物體不會發生振動。