雪糕棒多米诺连锁反应的研究

发布时间：2025-01-17 13:30

　　 本文研究了第32届国际青年物理学家锦标赛(IYPT)的第17题:雪糕棒多米诺连锁反应——使木质雪糕棒轻微弯曲连接在一起形成互锁的网格状的链式结构。当把这种链式结构的一端释放后,链式结构受的反作用力将抬起该链式结构,雪糕棒会被连续弹出,形成一个波阵面,即"眼镜蛇波"。本文通过改变雪糕棒的几何参数、性质和摆放角度,对形成"眼镜蛇波"的波阵面高度和波速进行了研究。结果发现,要想使"眼镜蛇波"波阵面弹起更高、传播更快,需要增大雪糕棒的厚度、杨氏模量,减小雪糕棒的长度和密度,并以尽可能大的角度摆放。

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【部分图文】：

图1 雪糕棒“眼镜蛇式编织”的介稳链式结构的示意图

图1为搭建产生雪糕棒“眼镜蛇式编织”的介稳链式结构的示意图。首先,将两根雪糕棒“A”和“B”交叉叠放,如图1(a)所示。然后,把第三根雪糕棒“C”一端压在“A”下,同时搭在“B”上,如图1(b)所示。再次,把第四根雪糕棒“D”一端压在“A”的另一端下,同时搭在“C”上,如图1(....

图2 高速相机拍摄到的从不同端释放黑棒后雪糕棒的运动瞬间。其中,图(a) 从右端释放,无“眼镜蛇波”; 图(b) 从左端释放,可以形成“眼镜蛇波”

在某一根雪糕棒弹出的过程中,不与其相互接触的雪糕棒因为受力平衡,仍与和自身接触的雪糕棒保持编织结构不变,为一链式结构。即将弹出的雪糕棒受力无法保持平衡,受向某一方向的合力,相应的,链式结构受一方向相反的反作用力。由图1(g)可以看到,“眼镜蛇编织”结构的两端黑色与红色雪糕棒的位置....

图3 雪糕棒弹出过程中的能量转化

处于平衡态的链式结构在左端释放后,能够以一定波形稳定向右传播,主要源于其内部由编织造成的形变而储存的弹性势能转化为雪糕棒的重力势能和动能。由图2(b)可以看到,当雪糕棒连续弹出时,其在脱离链式结构前,会先到达“眼镜蛇波”最高点,再脱离链式结构,然后在下落过程中兼有转动和平动运动。....

图4 形变雪糕棒侧视示意图

图3雪糕棒弹出过程中的能量转化2.1雪糕棒弹出前储能

本文编号：4028129