自制讓水變“懶”的實(shí)驗(yàn)

文/ 李文卓 邵明輝

天宮課堂里的水球變“懶”實(shí)驗(yàn)利用了阻尼振動(dòng)的原理。我們一起來(lái)做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，理解一下什么是阻尼振動(dòng)吧。

一個(gè)圓柱形瓶子、一塊20cm×30cm的泡沫板、兩個(gè)塑料杯、一個(gè)小球、清水、墨水

1在兩個(gè)塑料杯中都注入半杯水，然后點(diǎn)幾滴墨水。將小球放入其中一個(gè)塑料杯中。

2把兩個(gè)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(dòng)泡沫板，觀察兩個(gè)塑料杯中水的情況。

你會(huì)看到?jīng)]有放小球的塑料杯中會(huì)濺起更多的水花，水面波動(dòng)更大。

通過(guò)太空水球變“懶”實(shí)驗(yàn)，我們可以學(xué)到以下幾個(gè)概念。

概念一點(diǎn)通

振動(dòng)

振動(dòng)是物體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，是自然界最普遍的現(xiàn)象之一，大至宇宙，小至基本粒子，無(wú)不在振動(dòng)。比如鳥(niǎo)兒落在樹(shù)枝上，引起樹(shù)枝振動(dòng)；石子兒落水，引起水面振動(dòng)；聲帶的振動(dòng)讓我們發(fā)出聲音，耳膜的振動(dòng)讓我們聽(tīng)到聲音……在中國(guó)空間站中，劉洋老師用注射器噴出空氣，吹向水球，水球就開(kāi)始振動(dòng)。

阻尼振動(dòng)

對(duì)于一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，若振動(dòng)物體偏離平衡位置后，僅在回復(fù)力的作用下做的振動(dòng)叫作自由振動(dòng)。而在實(shí)際的振動(dòng)中，往往是存在阻力的，因此振動(dòng)的物體需要不斷地克服阻力做功，這樣系統(tǒng)的機(jī)械能就會(huì)不斷減小，導(dǎo)致振幅不斷減小，直到振動(dòng)停止。在物理學(xué)當(dāng)中，我們把振幅不斷減小的振動(dòng)叫作阻尼振動(dòng)。例如，汽車(chē)在凹凸不平的路面上行駛時(shí)會(huì)發(fā)生大幅度的振動(dòng)，可以使用減震器來(lái)增大阻尼，使振動(dòng)減弱或停止，減少車(chē)輛在行駛過(guò)程中的顛簸，提高乘客的舒適度。

受迫振動(dòng)

阻尼振動(dòng)最終會(huì)停下來(lái)，那怎么才能產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)呢？最簡(jiǎn)單的辦法就是施加周期性的外力，用外力來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)的能量損耗，從而使振動(dòng)維持下去。而這種周期性的外力驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)就叫作受迫振動(dòng)。例如鐘表的發(fā)條為鐘表補(bǔ)充能量就是受迫振動(dòng)。

共振

一個(gè)做受迫振動(dòng)的物體，當(dāng)其驅(qū)動(dòng)力的頻率等于固有頻率的時(shí)候，物體振幅達(dá)到最大的現(xiàn)象稱為共振。有一個(gè)非常有名的關(guān)于共振的故事，是說(shuō)一隊(duì)士兵邁著整齊劃一的步伐通過(guò)一座大橋，結(jié)果士兵步伐造成的振動(dòng)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(dǎo)致很多士兵落入水中。

原理揭秘

回顧前面的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)我們用力搖晃泡沫板時(shí)，沒(méi)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?yàn)槲覀兘o杯子中加的小球相當(dāng)于一個(gè)阻尼器。當(dāng)外界給水杯施加力的時(shí)候，阻尼器因?yàn)閼T性，振動(dòng)狀態(tài)比水的振動(dòng)要慢，較慢的振動(dòng)會(huì)對(duì)水產(chǎn)生一個(gè)阻尼作用，這樣就減小了杯子中水的振動(dòng)。在空間站中，航天員給水球噴氣時(shí)，水球發(fā)生了劇烈的搖擺，而加入一個(gè)空心鋼球之后，再用同樣大小的力度沖擊水球時(shí)，鋼球就發(fā)揮了阻尼器的作用，阻礙了水球的振動(dòng)，所以水球的振動(dòng)與第一次相比變小了。建造中國(guó)臺(tái)灣的臺(tái)北101 大樓時(shí)也利用了這個(gè)原理。大樓高500 多米，如果有臺(tái)風(fēng)來(lái)襲，大樓很容易發(fā)生搖晃，因此人們?cè)?8～92 層安放了大大的阻尼器來(lái)減弱振動(dòng)或強(qiáng)風(fēng)帶來(lái)的沖擊力，當(dāng)大樓受風(fēng)力影響左右晃動(dòng)的時(shí)候，阻尼器會(huì)向與之相反的方向擺動(dòng)，來(lái)保證大樓的安全。

輕松答題

閱讀完以上內(nèi)容，請(qǐng)判斷下列哪些說(shuō)法是正確的。（ ）

A.振動(dòng)是物體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

B.阻尼振動(dòng)是一種振幅不斷減小的振動(dòng)。

C.太空實(shí)驗(yàn)中水球變“懶”是因?yàn)榧尤氲匿撉驕p小了水球的振動(dòng)。

D.在太空失重環(huán)境中，空間站中的物體不會(huì)發(fā)生振動(dòng)。