非常精彩的現象! 來看一則由學生推薦的「chain fountain」影片,是甚麼原因造成杯中的珠鍊會先向上噴出而不是從燒杯邊緣直接滑落?
如果做一個對照實驗,將這杯珠鍊倒在桌面上靠近桌緣的位置,將一端拉出懸掛於桌緣後放手,相信若對高中物理還有印象的朋友們應該還記得這類的考題:【長度L的均勻繩子,置於光滑桌面上,有一半的長度下垂於桌邊,由靜止釋放,求當繩子上端恰離開桌子邊緣時的瞬時速率為何?】,記得曾有一個學生問我說:「繩子在掉落過程中,桌上的繩子是直接轉90度掉下去的嗎?」,於是我回家做了這個實驗,學生的懷疑沒錯,桌上的繩子就如同水平拋射那樣的模式是以水平方式噴出來的。由於繩子上端恰離開桌子邊緣時,繩子並非整體呈鉛直狀態,所以傳統的解法是錯的(算出來比實際的速率大,因為整體質心沒那麼低),我教書教了數十年從來不曾質疑過這種考題的正確性,學生這一席話讓我嚇出了一身冷汗。
回來看這則影片,若是分離的珠子在掉落過程中其速率是越來越大的,但是因為珠鍊的每一個珠子是串在一起,因此上端的珠子被迫就要與下端的珠子有相同的速率(因為珠鍊沒有彈性因此長度不能改變),這就表示下方的珠子在落地瞬間的速率是比由相同高度自由落體的末速小,於是這其中損失的動能就必須藉由珠鍊的張力來傳遞給上方的珠子(上方的珠子受力就會比它本身所受的重力大)。也就是說剛離開杯子的珠子一開始的初速就幾乎要等同於下方的珠子在落地瞬間的末速,這是很大的速率。加上珠鍊掉落一段長度之後,接下來要離開杯子的珠子是受到方向向上的瞬間拉力,因此初速方向就是向上,這麼大的初速就會造成向上湧出的噴泉現象。換言之,剛開始珠鍊速率不快時,珠鍊的噴發高度較小,一但珠鍊越來越快時,珠鍊的噴發高度就會越來越高,最後當珠鍊以穩定的終端速率下降時(位能減少量完全轉換為空氣阻力所產生的熱&杯中珠子因擾動所產生的熱能),此後珠鍊的噴發高度就會穩定在某個高度。
其實珠鍊在剛開始滑落時,確實是貼著燒杯邊緣做180度瞬間轉彎的,是因為能量的因素(能量轉換&能量守恆定律)造成珠鍊速率越來越快,加上此後珠鍊必須上移才能越過燒杯頂端,才形成這個關鍵因素「向上的初速」。