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昨天你们立起来的扫把,甚至真的惊动了 NASA
2020-02-12 15:05

昨天你们立起来的扫把,甚至真的惊动了 NASA

本文来自微信公众号:中科院物理所(ID:cas-iop),作者: NKXXX


不得不说这个这个谣言看得笔者也很是心动


1. 一个过了这个村再没这个店的日期

2. 一个看上去足够吸引人的噱头

3. 一个随随便便就能拿到手的看似平常却似乎拥有“魔法”的道具。


2 月 11 日是个特殊的日子,美国宇航局 NASA 曾经说过这一天地球的引力最小,所以扫把能够站起来。


上面这句话的形式非常自由,时间也有各种各样的版本。不过就像小时候大家写作文偶尔会编造一下名人名言显得自己文章很有深度一样,年龄变大的我们似乎并没有长大,我们不是圣斗士,相同的招数能够轻易打败我们两次。


看似普普通通的扫把以老少咸宜的惊人魔力,迅速席卷了我们的朋友圈…… 虽然这个内容非常像“都市传说”,但扫把毕竟真的能够立起来,这就足够给大家提供复制 + 转发的动力了,小编我也忍不住屁颠屁颠地拿起扫把试了起来。


大家要不要来打个分? 满分 10 分


看大家玩的这么火热,NASA 都坐不下去下场自证清白。内容如下:


宇航员 Alvin Drew 和科学家 Sarah Noble 公开回应扫把挑战,向人们展示了扫把立住的基本物理学原理其实每天都成立,而不仅仅只在 2 月 10 号成立(当然也不仅仅是 2 月 11 号)


¯\_(ツ)_/¯,你们啊,不要想搞一个……


假如我们随便打开一本日历,大家都可以看到,其实 20200211 这一天并没有什么特别的地方,既不是什么特殊的节气,也不是大家之前在吹的 20200202 这种回文数,连个素数都不是(20200211 = 19 x 29 x 61 x 601)


我们还是把话题回到扫把上,能够把扫把立住,其实这里面问题主要还是在扫把上。关于什么是平衡,这个话题在物理上我可以和你聊一年。扫把能够稳定地站住,是因为这正是力学里面最为常见的受力平衡——物体只要所受的合外力为零,那么就能一直保持现在的运动状态。在平衡里面,还可以进一步进行分类,根据系统在平衡状态下对外界响应的不同,我们把平衡分成,稳定平衡、不稳定平衡和随遇平衡这三类。


从左到右依次为稳定平衡,不稳定平衡和随遇平衡


稳定平衡在受到扰动以后,依旧能回到原来的平衡位置;不稳定平衡在受到扰动以后,系统会放大这种扰动,从而加速偏离平衡位置;随遇平衡则是随遇而安,哪里都能平衡。像之前爆火的不倒翁小姐姐,其实就是稳定平衡的典型。


对不倒翁进行稍加拨弄,就能发现它能轻易地回到原来所在的位置


理想中的平衡曲线是山峰,山谷或是平原,但是现实往往曲曲折折。怎么判断一个系统到底是哪种平衡?其实还是要去看它的重心到底在哪里。如果一个物体的重心落在它的支撑面,也就是最外侧支撑点连接而成的几何图形以内的话,那它自然就是稳定平衡。


这个椅子就是一个典型的稳定平衡


自然界中能够长久存在的一般都是稳定平衡,立扫把也是。虽然看起来扫把的柄上有很多重量,但其实绝大部分都还是被下面的硬毛给承包了。正是因为大部分的扫把质量都集中在扫把头上,重心位置距离扫把头非常近,所以只要把扫把往平整的地上一插,让扫把的刷毛能够张开一定角度,扫把自然而然就能够立住了。


如果你对扫把的重心位置有疑惑的话,不妨尝试这么一个非常简单的小实验,利用我们的双手就能测量一个物体重心的位置。比如说我们想要知道一把扫把的重心的位置,可以把扫把架在我们的手掌的虎口处。等到我们把扫把架稳以后,让两只手之间的距离慢慢变小,缓缓靠近。记住,在这个过程中我们需要一直保持扫把稳定。等到我们双掌互相接触的时候,这个位置就是扫把的重心所在的位置了。



测量重心的方法有很多,诸如铅垂法等。严格来说用上述方法得到的结论是重心在手掌所在的平面上,需要在多个方向上进行上述步骤,才能真正确定重心的位置。


假如在重心位置上做个标记的话,我们可以看到它正好稳稳地落在下方扫把鬃毛所在的范围内,所以它是一个稳定平衡。


其实,这种关于重心的小把戏有很多,将一罐的饮料喝至只剩三分之一左右时,其实就可以把饮料瓶倾斜着立起来。


家里有现成饮料瓶的话,可以直接加水试一试


和这相关的内容还特别容易出现震惊体,比如《震惊!一把尺子一个锤子就能挑战基本物理定律!》。但其实分析一下就能知道,整个系统右边重得多,绝大部分质量都集中在锤头,所以整个系统其实就是一个看起来有点复杂的钩子,自然可以稳定地勾在桌沿。



所谓“万物皆可立”,除了扫把以外,曾经也有过类似这种立蛋传说。



据说在春分日这一天,地球和太阳的相对位置十分特别,使得鸡蛋受力更平衡,从而更容易立起来。


不知道是不是因为大家最近都宅在家里胖三斤,所以在写谣言的时候都希望地球引力变弱了,扫把才能变得更好立起来。我必须义正言辞地将立扫把过程中的引力因素,彻彻底底地排除出去(顺便让你正视现实)


我们都知道地球围绕太阳转,月亮围绕地球转,这两颗对地球影响几乎是最大的两个星体,对于地面上的物体引力的影响也是最大的。影响的方式就是我们天天能够见到的潮汐。通过简单地计算可以知道,同一位置地点,重力在不同时间因受周期性潮位引起重力变化量,每日最大可达 3×10-6 m/s2


月亮引起的潮汐示意图


从影响的大小来看,潮汐对你测量体重的影响基本在小数点后面第六位或者第七位,对日常生活的影响微乎其微,潮汐对于立扫把、立鸡蛋这种事情,影响完全可以忽略不计。当然,如果使用最精确的重力加速度测定的仪器,是可以感受到这种变化的影响的,甚至欧洲核子中心的加速器里进行的粒子实验,在每天潮起潮落的时候数据也有些微区别。


虽然引力场的变化对我们无聊到去立扫把这件事情的影响很小,但是为了研究地球介质密度变化和固体地球潮汐、内部热流、固体和液体之间的质量交换、表面负荷和地震构造运动等环境因素的影响,乃至于修正天上飞着的卫星和飞机的轨道,科学家们花费了大量的力气去精确测定地球重力每天的变化情况。


比如重力的变化可以让大家去探矿,去年的愚人节,各大学校教务部的网页都被人恶搞过。



多年以来,物理实验教学中心持续收到同学关于“单摆测重力加速度”这一基础物理实验的反馈,主要反映问题为实验测量数据与本地理论值相比显著偏大。


当然,这也是一个谣言。


参考内容:

1. 平衡的科学与艺术 | 线上科学日

2. nasa-broom-standing-upright-meme-trnd

3. 春分日:今天立蛋成功率更高?

4. 孙和平:重力场的时间变化与地球动力学     

5. 地下多大的金矿才能影响到单摆实验? 

6. 我对师妹说这期玩个锤子,她竟然…… | 正经玩


本文来自微信公众号:中科院物理所(ID:cas-iop),作者: NKXXX

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