可能大家都看过这样一个小实验,使用3根火柴进行组合,就能在桌子边缘轻易悬挂一瓶水,乍一看感觉是不是很神奇,甚至有人会觉得是假的,首先说明视频中画面的是真的,不信的可以自己做个验证,下面就简单剖析一下为什么可以实现这样看似神奇的操作。
3根火柴轻易悬挂一瓶水
针对这种物理学小实验,想要解析就先建立一个小小的力学模型,为了让大家可以很简单地看懂,在这里我们就撇去一些跟我们讨论的课题无关的“力的分解”问题,在这里简单称作支撑力,向上、向下的力等等,以免有人误解。
上图是一个简单的力学模型,左侧就是视频中的主视图,右侧则是侧视图。AB,CD,CE粗实线分别代表三根火柴,其他细线则表示悬挂水瓶的绳子。首先看左图,AB火柴通过绳子牢牢“卡在里面”,在这里它收到两侧绳子的挤压力,所以A,B两点受到的摩擦力是很大的,在这里可以看做AB火柴“焊”在了上面,因此CD火柴则受到C点向下的力和D点向上的支撑力,于是形成了一个平衡。
再看右图(侧视图),CE火柴受到E点向下拉力,同时又受到C点和桌子的向上支撑力,于是也形成了一个平衡。但是这种平衡仅仅是指本身结构的平衡,把三根火柴、绳子和水瓶看做一个整体,这个整体想要“挂”在桌子上还需要一个最重要的条件,那就是整体的重心必须落在桌子上。
桌子边缘离开重心所在线就无法悬挂水瓶
所以可以发现:桌子的边缘必须靠近ED这条线,也就是三根火柴、绳子和水瓶组成的系统重心所在垂直线,理想状态下这个系统重心就在这条线ED上,但是实际由于CE火柴与桌子的摩擦力以及系统的微小变形原因,整个系统的重心实际已经偏离ED线,落在了桌子上,于是条件就成立了,水瓶稳稳地悬挂在桌子边缘。
其实就好比你可以轻易地将一把镰刀头“挂”在桌子边缘一样,只要镰刀自身系统稳定,加上重心偏移至桌子上,就可以很简单的实现。
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