為什麼珠鏈能“反重力”？－x0z7blog01的部落格

（）：為什麼珠鏈能“反重力”？

在特定情況下，一條鏈子似乎可以表現出反重力的狀態，像噴泉中噴出的水流一樣運動。這一現象背後的原因，近日被物理學傢揭示出來。這項研究對於現有的很多應用具有重大的意義，包括繩系衛星以及太空升降艙等。

鏈條技術是最為普通、古老且廣為應用的技術之一，很多人恐怕認為物理學傢已經完全明白鏈條的所有。然而事實並非如此——BBC近日公開瞭一小段視頻，超過250萬觀眾觀看瞭這段視頻並為之震驚，其中不乏物理學專業人士。

斯蒂夫·莫爾德（Steve Mould）首先上傳的這段視頻引起瞭廣泛關註。

這一視頻展示的現象，哪怕在傢裡都可以被輕而易舉地重復——隻需要一條足夠長的珠鏈鏈條，並把它放置在一個類似燒杯的容器裡面，拉起珠鏈的一端並使之垂落。你會觀察到珠鏈並不隻是簡單地由於重力作用“流”向地面，在整個運動過程中鏈條會自發的向上運動，就像噴泉噴水那樣。

眾說紛紜

盡管人們都知道鏈條自身的重量使其向下墜落，但科學傢並不清楚珠鏈在落下前為什麼會先躍起。“我們意識到自己正在進行一項有趣的研究。”這個月，來自劍橋大學的物理學傢約翰·比金思（John Biggins）和同事馬克·華納（Mark Warner）在《英國皇傢學會報告A》上發表瞭關於這種珠鏈運動現象的論文。

有觀眾在觀看視頻後認為鏈條本身具有某種磁性，但比金思澄清說，這一現象的產生和磁力無關。“很多人也推測珠鏈是在一個向上的外力作用下離開容器，但是最終還是會落到地面上。因此，之所以珠鏈會出現一段向上的位移，是因為這段珠鏈需要一段時間才反轉動量的方向，就像一個拋起的球上升之後墜落。”比金思說道。然而，這些推測都是不正確的。

比金思在解釋球的上拋運動與“珠鏈噴泉”之間的差異。球的上拋是一個減速過程，到達頂點時速度為零。但珠鏈經過頂點前後，上升和落下的速度卻是保持一致的。圖片來源：Royal Society Publishing

研究人員的計算表明，驅使鏈條向上運動的作用力並不是來自於已經脫離容器的珠鏈，他們推算出這股上推的力最終來自於還停留在容器內的那一部分珠鏈。“來自容器的推力才是主要的原因，這出乎瞭很多人的意料。”比金思表示。

科學傢們進行這個實驗的初衷，是利用這樣的視頻來進行高中物理教學。“我們覺得通過這個現象很酷，我們應該搞清楚這背後的原理，並向高中生提出這個問題。”比金思說：“然而我們很快發現，對鏈條運動的定勢思維並不能解釋為什麼珠鏈會凌空而起。為瞭解釋這個問題，我們必須回顧一下經典力學裡那些金科玉律。”

本質是連起來的桿

弄明白這個外力來源，關鍵在於弄明白珠鏈的性質。從本質上講，這些珠鏈其實是一系列連起來的桿。想象一下一根桿子被水平地放在容器中，等待著之後的運動。之後桿子的一端受到一個向上的拉力，這個力來自於已經脫離瞭容器的那部分珠鏈。如果隻是一根桿子，那麼受力的那一端便會發生旋轉並抬起，另一端則變成朝下。但是因為在珠鏈中，每根短桿是與其他桿子連在一起的，因此桿子的另一端便會受到來自容器或是其他桿子上的彈力，而這種反彈則提供瞭不規則的向上的推力。“讓中小學生有能力去理解真正的科研結果是很少見的事，然而我們堅信他們能理解這個實驗。”比金思說。

▲比金思在解釋使珠鏈上升的推力來源。由於來自短桿一端的拉力會使短桿發生旋轉，短桿的另一端向平面施壓，平面便提供瞭相應的彈力。圖片來源：Royal Society Publishing

▲比金思補充，如果鏈條的構造是珠子間以長的彈性繩索相連（如所指形式），而非連起的桿，那麼“珠鏈噴泉”的現象就不會發生瞭。圖片來源：Royal Society Publishing

盡管科研人員研究這個實驗僅僅是出於好奇，但是這份結果卻可能“對工程學有著啟發作用，”比金思介紹道：“人們在工業和科技產業中廣泛使用著鏈條和繩索。”比如說紡織工廠會通過線軸來使用紡織線進行生產，在衛星和航天器上也經常會使用繩索。

“在航天工業這樣的領域中，人們需要盡可能地把所需質量和能量降到最低，而鏈條和繩索的運動機制也許可以運用到這上面來。”比金思說道：“拿繩系衛星舉例來說，你需要從一個衛星上牽出一條鏈條拉到另一個衛星上。我們的工作表明當佈置繩索時，拉動繩索的一段，這份拉力便會得到一份推力的補充，而這份推力則來源於繩索儲存的地方。”所以，你需要給出的拉力會比你原本預期的小。佈置繩索所需的力小瞭，便可通過一個更小、更輕、能耗更小的馬達來完成工作。