春分立蛋 | 如何把煮熟的鸡蛋立起来

作者:李彤馨/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-03-21

快速的旋转它。

如果你把一颗煮熟的鸡蛋横放在桌子上快速旋转,而且你的方法是正确的话,就会看到一个奇怪的现象。当鸡蛋旋转时,它会慢慢地竖立起来。这看起来真的很酷,但也真的很奇怪。

这是一种奇怪的现象,直到2002年物理学家才发现了其中的原由——一个非常复杂的数学解释。现在一位物理学家对熟鸡蛋的旋转站立提出了一个简单的解释。

悉尼大学的Rod Cross解释道:“科学家们研究了100多年的旋转鸡蛋,但并没有一个简单浅显的说法来解释这一现象。基础物理学不能向一个本科生或是一个物理老师解释说,因为方程式预测鸡蛋会站立,所以它站起来了。”

部分问题在于,在鸡蛋逐渐站立或是因为旋转速度不够快而停止的过程中,没有足够的实验测量能确定其中滑动和滚动摩擦的独立作用。

事实证明,实际发生的情况是鸡蛋在绕两个轴旋转,而不是一个。

把一颗鸡蛋放在桌子上,它就会倒向一侧,稍尖的末端微向上。如果你给它一个较慢的旋转速度,它将会围绕一个贯穿鸡蛋的轴旋转,即垂直于桌面的短轴。

虽然物体通常围绕着它们的质心旋转,但由于鸡蛋的形状,它的质心和鸡蛋开始旋转的点,即它接触到桌子的点并没有重合。

它的质心和接触点之间的差异导致鸡蛋开始摇晃,这反过来就使其逐渐站立,在旋转的过程中短轴的角度开始倾斜。

短轴的角度变化称为旋进,这是一个用来描述旋转轴方向变化的术语。短轴的旋进是正常反作用力的结果(桌子和鸡蛋的接触点之间的反作用力)。

但是,正如你可以看到的,如果你仔细观察下面的视频,当鸡蛋绕着它的短轴旋转的时候,也会绕一个更长的、几乎是水平的轴以很慢的速度旋转。

出现这个绕长轴的旋转是由于短轴的旋进,而这第二根轴也随着鸡蛋旋转发生角度的改变。与此同时,摩擦力在鸡蛋转动后也会使长轴旋进。

Cross指出,摩擦力在改变鸡蛋的旋转角度上起着重要的作用,会导致较钝的末端上升,鸡蛋就“站起来”了。

春分立蛋 | 如何把煮熟的鸡蛋立起来

图片来源:Modified from Rod Cross/European Journal of Physics

但是当鸡蛋开始摇晃时,它克服了能使其保持直立的摩擦力的制动。这使得更短的轴,即最开始的那个轴,再次成为最主要的旋转轴。在Cross的新论文中,他发现用来描述鸡蛋直立与翻身陀螺的旋进的方程在形式上是相同的。

他的实验在网上也得到证实,旋转越快,鸡蛋站的越直,如果旋转得太慢,就不会产生足够的摩擦力。

如果你想尝试在家里旋转鸡蛋,首先要确保它是煮熟的——因为生鸡蛋里面的质心会随着液体的流动而变化。

他的论文发表在《欧洲物理》杂志上。


    蝌蚪五线谱编译自sciencealert,译者 李彤馨,转载须授权 

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