它们是如何工作的

作者简介

马歇尔·布瑞恩是美国著名的科普作家，同时也是著名的www.HowStuffWorks.com网站创办人。他的眼光独到，善于从日常生活中发现隐藏的科学道理，并诉诸于笔端，从而达到普及科学的目的。他的著述颇丰，主编有《它们是如何工作的》、《地球有多重》、《生活中的科学》等畅销科普图书，深受世界各地读者的喜爱。

内容简介

为什么抛出去的溜溜球能够自动回到手中？ 从表面上看，溜溜球是一个再简单不过的玩具：它只是一个系在一段 绳子上的线轴而已。不过如果玩法得当，溜溜球可以变得十分奇妙：一个 出色的溜溜球玩家可以把溜溜球抛向各个方向，使它在空中盘旋，然后再 猛地把它收回来。在溜溜球上，普通的绳子和塑料绳也焕发出了无限的生 机。 玩溜溜球的感觉像变魔术，但实际上溜溜球是有原理可循的。不论是 经典的溜溜球，还是近年来新出现的较复杂的自动溜溜球，都极好地运用 了基本的科学原理。 一个好旋转 溜溜球是最受欢迎、经久不衰的玩具之一。早在2 500多年前，古希腊 人就开始玩陶制的溜溜球。也有证据表明，中国人在更早的时候就发明了 类似的玩具。无论就哪种情况而言，溜溜球都拥有悠久的历史，是除玩偶 之外最古老的玩具。 早期溜溜球的绳子都紧紧地系在轮轴上。现代的溜溜球在20世纪20年 代从菲律宾传入美国，它的绳子是绕在而非系在轮轴上的。这使得溜溜球 可以进行“睡眠”：在绳子末端进行旋转，而不立刻转回来。 溜溜球的物理原理非常简单。当我们把溜溜球放在手掌上时，它就具 有了一定的势能。溜溜球的势能有两种不同的形式。 ◇溜溜球可以向上抛入空中，这使它具有重新落回地面的势能。 ◇溜溜球的绳子绕在轮轴上，这样当轮轴上的绳子松开时，它就具有 了可以进行旋转的势能。 松开溜溜球时，这两种势能转化为动能，溜溜球的线轴就会垂直落到 地面(溜溜球的玩家也可以晃动手腕来加速其落地)。当溜溜球落地时，产 生了一定的线动量(以直线形式存在的动量)。同时，绳子松开后，线轴发 生旋转，产生角动量(旋转动量)。当到达绳子末端后，溜溜球就无法再下 落了。但由于具有大量的角动量，溜溜球还可以继续旋转。 这种旋转运动使溜溜球具有回转稳定性，即旋转物体可以不受旋转轴 的影响。这一属性使溜溜球在转速足够快时，旋转轴可以与绳子保持垂直 。 由于线轴不是牢牢系在绳子上的，因此松开线轴时，溜溜球可以自由 旋转。溜溜球的玩家只要把绳子稍稍抛出，就可以把溜溜球拉回来。拉力 增大了绳子与轮轴之间的摩擦，轮轴会再次把绳子绕起来。当轮轴把绳子 重新绕起时，就为绳子提供了摩擦力，使更多的绳子被绕起。 在线轴上“睡眠” 怎样才能使溜溜球的线轴可以像溜溜球爱好者所描绘的那样，在绳子 的末端“睡眠”呢？这一问题使溜溜球变得更加有趣。溜溜球爱好者们想 尽各种办法使线轴保持“睡眠”状态，与此同时，他们也对绳子做出各种 花式，使溜溜球按照这些花式进行旋转。另一项溜溜球技巧是“遛狗”： 使旋转的线轴沿着地面滚动，再将其拉回来。 多年来，溜溜球的制造商们对溜溜球进行了很多改进，使玩家们能够 更容易地实现这些技巧。其中一项最简单的改进就是对溜溜球的质量进行 重新分配，以改变其转动惯量。一个物体的转动惯量可以衡量该物体对旋 转变化产生的反作用力。转动惯量由两个因素决定：物体的质量和物体与 旋转轴之间的距离。物体质量越大，旋转就越困难，停止旋转也就越困难 ；物体与旋转轴之间的距离越大，旋转就越困难，停止旋转也就越困难。 制造商们通过把溜溜球的质量集中在转盘边缘的方式，提高了溜溜球的使 用性能。 另一个办法是进一步减小溜溜球的绳子与轮轴之间的摩擦。一个普遍 采用的方法是在溜溜球的轮轴周围安装一个球状轴承组件，把轮轴与绳子 分开。如果轴承润滑充分，它将大大减小摩擦力。摩擦力减小后，轮轴旋 转起来会更容易，“睡眠”时间也会变长。 启动离合器 20世纪90年代，新款自动溜溜球问世。自动溜溜球的头号制造商 Y0mega公司在进行产品推介时，称这些溜溜球是“有头脑的溜溜球”。听 起来这些溜溜球似乎真的具有一定的智商，它们准确地知道睡觉和起床的 时间。不过，这里的“头脑”实际上是指一种离心式离合器。 和装有球状轴承的溜溜球一样，自动溜溜球里的绳子也不直接接触轮 轴，而是绕在一个心轴上。轮轴装在溜溜球的两部分之间，旋转时从心轴 的中间通过，但轮轴与心轴并不连接在一起。 当溜溜球转速较慢时，心轴与轮轴运转一致。离合器把轮轴与心轴固 定在一起。离合器装在溜溜球的一个转盘中，包括两个带弹簧的金属臂。 这两个金属臂一端承重，另一端与溜溜球的主体相连。当溜溜球处于静止 状态或低速旋转时，弹簧向上挤压金属臂，阻止心轴运动。但当溜溜球旋 转加快时，离心力会把金属臂承重的一端向外推出，阻止弹簧运动。这时 金属臂把心轴松开，心轴和溜溜球的其他部分各自转动。 当你把溜溜球抛出时，它开始慢慢旋转。离合器被锁住，放松的心轴 带动转盘旋转。当溜溜球的绳子快要接近末端时，溜溜球的转速变快，使 得离合器把心轴松开。转盘的角动量使溜溜球继续旋转，但心轴可自行停 止转动。最后，转盘的旋转也开始变慢，作用于金属臂上的离心力变小。 当作用于承重端上的向外的离心力小于弹簧向内的作用力时，心轴上的金 属臂就会收紧。此时，转盘的旋转运动重新从心轴开始，心轴把线重新缠 绕，溜溜球就会回到你手中了。 今天的溜溜球比古希腊的陶制溜溜球复杂得多，魅力更胜过当年。只 需转动一下你的手腕，一个普通的线轴就会变成一个生机盎然的旋转掌中 宝，这就是溜溜球的魔力！ …… P7-9