2014年12月31日

金屬飛高高-珠鍊噴泉現象

最近一年多來, 珠鍊噴泉(chain fountain)這個現象不僅在網路上引起眾人注意,也有學者發表了相關論文。我們覺得這個現象和物理的力學單元有關,所以組織了專題實作小組,做了一些研究;並嘗試讓實驗變得更加有趣,甚至可擴充成一個教學單元。

作者/鄒忠毅(任教中國文化大學光電物理系)、彭鈺慈(就讀東華大學物理學系應用物理碩士班)

大家一定知道或看過許多種噴泉,像是許願池噴泉、火山噴泉、虹吸噴泉、水舞秀表演,甚至當豪大雨來臨時,水溝也會出現噴泉現象。但是,珠鍊噴泉是什麼?珠鍊究竟會怎麼「噴」呢?

去問Google大神,然後你可以找到一堆影片。OK,本文結束。

唉,文章不能這麼寫,做人不可以這麼混。所以我們還是要用自己的話講一遍,也許可以引起興趣,引誘大家真的去動手做做看!

製作噴泉
首先我們先來看看該怎麼製造「珠鍊噴泉」。第一件事,你需要準備一條很長很長,大約直徑1~ 3 公釐、長度30公尺以上的金屬珠鍊(其實10公尺也行,只是不太過癮),各大五金行都買得到,花費大約1000元左右。下一步是尋找容器盛裝珠鍊。講究作法者可用塑膠量杯,而不講究者(就像我們實作小組),就把保特瓶裁切使用即可。然後,是最難的一部分:把珠鍊由一端開始,順順地依序放入容器中。小心,放不好就看不見噴泉了。至於什麼叫做「放不好」?這裡暫不透露,等讀者們看完下文,試過很多次之後就會知道了(賣什麼關子)。

放好珠鍊後,小心地把容器放在一個高台的邊緣(或用手將容器舉高),再從容器中拉出端的珠鍊(約10~20 公分)往外丟;因為重力的關係,珠鍊就會逐漸由容器內稀哩呼嚕地被拉扯出來。接著神奇的事情就發生了,珠鍊並不會一直乖乖地貼住容器邊緣滑出;這些邊緣上方的珠鍊,就好像是受到魔力般,會逐漸上升後再落下(懷疑嗎?快去試試),就像是噴泉一樣,這真是太神奇了。到底是誰讓它們飛了起來?
這就是由珠鍊噴泉現象的發現者摩德(Steve Mould)
所拍攝的一段珠鍊噴泉影片,在網路引起許多討論。
如何飛起來
關於「珠鍊噴泉」這個現象,有好幾個名字:反重力珠(anti-gravity beads)、自我虹吸珠(self-siphoning beads)、牛頓珠(Newton’s beads)。而除了金屬珠鍊外,也有人讓義大利麵鍊飛起來了(網路上可以看到一大堆影片和相關資料)。但是,對於迴紋針鍊和塑膠珠鍊卻找不到飛起來的例子。

關於這珠鍊是如何飛起來的?目前有幾個理論。最有名的是:英國劍橋大學物理學家比金斯(John S. Biggins) 與華納(Mark Warner)的「短棒理論」。他們認為,可以將珠鍊看成由一支支棍棒所連結而成。當棍棒前端被向下拉扯的時候,尾部就會翹起,因此底下一連串的珠鍊就會被隨之帶起,形成噴泉。另一個是由義大利帕維亞大學數學家維爾加(Epifanio G. Virga)的「耗散衝擊理論」:當珠鍊被拉出時,因為連接圓珠的棍棒與圓珠間不斷碰撞,以致圓珠無法穩定而飛起。可是,當實作小組看見義大利麵鍊也可以飛起來的現象時,我們覺得應該還有其他解釋,所以我們也跟著玩玩看。

形成噴泉的條件
珠鍊噴泉的現象有幾個可變動的條件,包括:圓珠大小、圓珠材質、圓珠間距、間距材質、鍊長度、重量、釋放高度等⋯⋯,在五金行都可以買到不同的樣式。現在,我們試著使用兩種金屬珠鍊(一條圓珠直徑約1公釐、長度32公尺,另一條圓珠直徑約3公釐、長度40公尺),釋放高度約2公尺,噴泉高度約20公分。接下來我們分幾個重點來探討:

材質
我們參考資料試用了幾種材質,塑膠珠鍊(連繩珠)和迴紋針練皆無法形成噴泉,金屬材質則較容易成功。或許也能用一根長拉麵來試試看,不過可惜市面上買不到,實作小組也不會做麵條。

高度
我們嘗試把金屬珠鍊,以離桌面高度約10公分處開始釋放。雖然珠鍊會不斷拉扯出來,不過噴泉的高度不高,幾乎沒有效果。但當它被慢慢抬起(釋放高度越高),噴發的高度就會逐漸增加,網路上甚至有人站上自家屋頂上測試。當然,這也跟速度有關。

間距
珠鍊的間距材質及硬度也會影響噴泉效果。若為棉線,那噴泉幾乎像水流般流出,不會向上噴起,而當珠鍊的間距長度過長,也有相同的結果。由於實作小組所使用的金屬珠鍊,中間連接的材質為金屬,圓珠間距不一,所以或許讀者可以試試,以塑膠繩將金屬珠用固定間距串起(聽起來很費工),可能會有意想不到的噴泉效果。

長度
珠鍊長度其實並不影響噴泉效果,可是會決定表演者的表演時間。若等待時間太短,噴泉是不會出現的。因為噴泉高度不是一開始就這麼高,而是逐漸往上升、忽高忽低的。所以當珠鍊長度越長,就需要越久的表演與等待的時間,當然相信觀眾的掌聲也會越多。另外,因為通常一旦等到噴泉現象產生,珠鍊的拉扯速度就會很快,所以其實真正的珠鍊現象不到一分鐘,但收拾珠鍊卻需要三到五分鐘。

挑戰
如何讓飛不起來的塑膠珠鍊飛起來?在經過以上試驗過程後,我們認為珠鍊的硬度(或是否容易彎曲的程度)可能是關鍵。所以我們以手邊可利用的資源為前提,來增加鍊子的硬度,使其不易彎曲。我們做了兩個改變:(1)將塑膠鍊纏上膠帶;(2)將兩條塑膠鍊編成一條鍊子。結果這兩種變動,都能讓塑膠珠鍊噴泉飛起來!

珠鍊噴泉真的很好玩!非常適用在吸引大眾目光和引起大家的興趣上。不管是在課堂或演講中,只要一玩這個演示活動,大家就會非常專心,真是一個教師打敗手機的好工具呀。另一方面,這個實驗也非常適合大學與中學學生參與,他們可以在進行時,學習與體驗到許多力學的知識。不過截至目前為止,科學家們對珠鍊現象的各種性質與關聯還掌握得不太好,已有的幾個理論尚不完全,所以仍然值得有興趣的研究者繼續深入探討。

最後,這個實驗讓實作小組深深體會到:當我們追求短時間的快樂,常常要付出長時間的辛苦。感謝協助我辛苦收鍊子的專題生們,他們是中國文化大學光電物理學系的洪瑋駿、蕭紹宣、余灝、李文瑋、吳星儀和黃靖軒同學。


延伸閱讀
1. Biggins, J.S. and Warner, M., Understanding the chain fountain, Proc. R. Soc. A, Vol. 470: 20130689, 2014.
2. Virga, E. G., Dissipative shocks in a chain fountain, Physical Review E, Vol. 89: 053201, 2014.

沒有留言: