原创 为什么珠链能“反重力”？

在特定情况下，一条链子似乎可以表现出反重力的状态，像喷泉中喷出的水流一样运动。这一现象背后的原因，近日被物理学家揭示出来。这项研究对于现有的很多应用具有重大的意义，包括绳系卫星以及太空升降舱等。

链条技术是最为普通、古老且广为应用的技术之一，很多人恐怕认为物理学家已经完全明白链条的所有。然而事实并非如此——BBC近日公开了一小段视频，超过250万观众观看了这段视频并为之震惊，其中不乏物理学专业人士。

这一视频展示的现象，哪怕在家里都可以被轻而易举地重复——只需要一条足够长的珠链链条，并把它放置在一个类似烧杯的容器里面，拉起珠链的一端并使之垂落。你会观察到珠链并不只是简单地由于重力作用“流”向地面，在整个运动过程中链条会自发的向上运动，就像喷泉喷水那样。
众说纷纭

尽 管人们都知道链条自身的重量使其向下坠落，但科学家并不清楚珠链在落下前为什么会先跃起。“我们意识到自己正在进行一项有趣的研究。”这个月，来自剑桥大 学的物理学家约翰·比金思（John Biggins）和同事马克·华纳（Mark Warner）在《英国皇家学会报告A》上发表了关于这种珠链运动现象的论文。

有观众在观看视频后认为链条本身具有某种磁性，但比金思澄 清说，这一现象的产生和磁力无关。“很多人也推测珠链是在一个向上的外力作用下离开容器，但是最终还是会落到地面上。因此，之所以珠链会出现一段向上的位 移，是因为这段珠链需要一段时间才反转动量的方向，就像一个抛起的球上升之后坠落。”比金思说道。然而，这些推测都是不正确的。
 

比金思在解释球的上抛运动与“珠链喷泉”之间的差异。球的上抛是一个减速过程，到达顶点时速度为零。但珠链经过顶点前后，上升和落下的速度却是保持一致的。图片来源：Royal Society Publishing

研究人员的计算表明，驱使链条向上运动的作用力并不是来自于已经脱离容器的珠链，他们推算出这股上推的力最终来自于还停留在容器内的那一部分珠链。“来自容器的推力才是主要的原因，这出乎了很多人的意料。”比金思表示。

科 学家们进行这个实验的初衷，是利用这样的视频来进行高中物理教学。“我们觉得通过这个现象很酷，我们应该搞清楚这背后的原理，并向高中生提出这个问题。” 比金思说：“然而我们很快发现，对链条运动的定势思维并不能解释为什么珠链会凌空而起。为了解释这个问题，我们必须回顾一下经典力学里那些金科玉律。”

本质是连起来的杆

弄 明白这个外力来源，关键在于弄明白珠链的性质。从本质上讲，这些珠链其实是一系列连起来的杆。想象一下一根杆子被水平地放在容器中，等待着之后的运动。之 后杆子的一端受到一个向上的拉力，这个力来自于已经脱离了容器的那部分珠链。如果只是一根杆子，那么受力的那一端便会发生旋转并抬起，另一端则变成朝下。 但是因为在珠链中，每根短杆是与其他杆子连在一起的，因此杆子的另一端便会受到来自容器或是其他杆子上的弹力，而这种反弹则提供了不规则的向上的推力。 “让中小学生有能力去理解真正的科研结果是很少见的事，然而我们坚信他们能理解这个实验。”比金思说。
 

比金思在解释使珠链上升的推力来源。由于来自短杆一端的拉力会使短杆发生旋转，短杆的另一端向平面施压，平面便提供了相应的弹力。图片来源：Royal Society Publishing

比金思补充，如果链条的构造是珠子间以长的弹性绳索相连（如所指形式），而非连起的杆，那么“珠链喷泉”的现象就不会发生了。图片来源：Royal Society Publishing

尽管科研人员研究这个实验仅仅是出于好奇，但是这份结果却可能“对工程学有着启发作用，”比金思介绍道：“人们在工业和科技产业中广泛使用着链条和绳索。”比如说纺织工厂会通过线轴来使用纺织线进行生产，在卫星和航天器上也经常会使用绳索。

“在 航天工业这样的领域中，人们需要尽可能地把所需质量和能量降到最低，而链条和绳索的运动机制也许可以运用到这上面来。”比金思说道：“拿绳系卫星举例来 说，你需要从一个卫星上牵出一条链条拉到另一个卫星上。我们的工作表明当布置绳索时，拉动绳索的一段，这份拉力便会得到一份推力的补充，而这份推力则来源 于绳索储存的地方。”所以，你需要给出的拉力会比你原本预期的小。布置绳索所需的力小了，便可通过一个更小、更轻、能耗更小的马达来完成工作。
 

太空升降机效果图。图片来源：Obayashi Corp.

作为一个最有可能实现的奇特应用，研发太空升降舱的计划也被科学家推上了日程——一个连接地球和太空的巨大电梯，包含一条极长的纤维绳索从太空拉回地球。要完成这种庞大结构，这项研究的发现也可能帮上忙。

详细的视频信息如下：
 

 
编译自：Charles Q. Choi. Secret to 'Gravity-Defying' Beads Revealed. LiveScience
参考资料：Understanding the chain fountain: A problem-solving partnership.Phys.org
文章题图：stevemould.com