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参与翻译: melody (4)

引言

你能把一杯水上下颠倒而不让杯中的水倒出来吗?听起来不可能,是不是? 这个项目会告诉你如何用一个巧妙的物理小把戏让这件事变得可能

背景

你有过坐在快速行驶的汽车上作曲线运动的经历吗? 你是否注意到这时你总会感到有股力量将你“推”向曲线之外? 实际上你并没有被人推动——而是你的身体“希望”能继续作直线运动(这就叫做惯性) ,但安全的与你身体与座椅的摩擦力迫使你随着汽车一起转向。这股使你身体转向而不是继续作直线运动的力量称作向心力。

第 1 段(可获 1.54 积分)

所以当你在汽车中做水平曲线运动时,这个力就会起作用。如果你做垂直的曲线运动,比如通过过山车环,又会发生什么呢?在过山车中,所有乘客都会系上安全带以保安全,但也有很多做垂直曲线运动时没有受到外力束缚的情况——比如玩具赛车或轨道上的弹珠。那么是什么力量使它们没有从圆环顶部跌落呢?这里也适用同样的概念。玩具车运动时会产生惯性,所以“想” 沿直线运动。然而弯曲的轨道给了玩具车轮一个推力 (产生了向心力),迫使它顺着环形轨道运动而不是做直线运动。如果玩具车的速度足够快,就不会脱轨。如果速度太慢,就产生不了足够的向心力,因而会从环形轨道上跌落下来。

第 2 段(可获 2.11 积分)

事实证明,你也可以将这个概念运用到液体中! 把杯子装满水,系上细绳,然后让杯子在水平或是垂直方向上绕圈。只要你速度够快,水就不会洒出来! 仍然不相信吗?照着下面的流程试试看,自己证明!

材料

  • 纸杯纸或塑料杯
  • 细绳
  • 剪刀

准备工作

  • 找一个室外场所,即便洒了些水也没关系。要确保周围附近人或者物品,以防你旋转杯子的时候打到他们。

流程

  • 小心地在杯子顶部边缘戳两个对称的孔(也可以让大人来帮忙)。
  • 剪一段与你身高差不多长的细绳。
  • 把绳子的两段分别在两个小孔上系紧,形成一个长柄。
  • 倒入约半杯水。
  • 到室外的空地上,即便洒了些水也没关系,也不会在旋转杯子的时候打到人或者物品。
  • 开始在头顶上旋转水杯,让它在水平方向上打转 (杯子与地面平行运动)。为了让水不洒出来,你要转多快? 
  • 逐渐将杯子的水平环形运动变为垂直环形运动。水还在杯子里吗?即便当杯子转到圆环顶端时? 
  • 如果水洒出来了,再倒入水继续尝试。这次一定要转得足够快。如果一直不成功,可以把水倒得再少一点儿。
  • 附加试验:试试将液体换为固体。如果在杯子里放一个玩具会发生什么呢?
  • 附加试验:试试变换细绳的长度。绳子变长(或变短)时,会不会更容易或是更难让水呆在杯子里?
  • 附加试验:试试改变杯中的水量。向杯子里多倒一些水,会更容易或更难让它们不洒出来吗? 
第 3 段(可获 4.53 积分)

观察与结论

只要向杯中注入半杯水,你就能够让杯子做水平的绕圈运动,然后再变成垂直绕圈运动。如果直接让杯子做垂直的绕圈运动,会很困难,因为一开始会速度不够,很难让水不洒出来。如果杯子里的水太多,也容易让水洒出来。

第 4 段(可获 1.05 积分)

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