不知道最近这个中学物理话题怎么忽然有了点热度,听说是某号称从事科普工作的网红发了个视频,然后许多人认为他在误人子弟。
根据朴素的信念,很容易预设结论:沙漏的重力不变。如果有变化的话,那就可以得到永动机。
进一步说,假设漏下的是一行小球,只有单行,小球之间有一定距离。系统受力的扰动包括三部分:漏下瞬间重力的降低,球撞击底部时的冲力。系统的不平衡还包括:整个流柱的重力,符号为负。三力(如果重力的降低视为与重力相反的力)之和的波形与相位有关,为双极性组合脉冲,其理论平均值为零。
实验似乎也可以支持该结论:
争议的焦点是天平的读数应该怎样变化,而不是系统到底会不会减轻或加重。
其实这是一个测量问题,关于测量的许多细节,恰恰是中学物理的薄弱领域,是一门较专业的工作。
前面已经说过,系统受力的扰动为双极性复杂脉冲,平均值为零。由于沙漏本身还有重力,扰动会叠加在重力上,围绕沙漏本身的重力波动。
对于这样一个复杂的脉冲波形,测量的表现受到很多因素影响,例如测量系统的惯量、频响,测量系统的阻尼,视频带宽(读数的采样率、刷新率)、检波方式,乃至仪器的“人性化”软件(例如天平的锁定读数)等。总体来说,可以认为从被测对象的实际物理变量到读数的“传递函数”决定测量的表现。不同的仪器具有不同的特性,以带宽为例,若对高频采用直接滤除的办法,读数就会虚小,给人重力降低的假象。如果采用峰值检波的办法,读数就可能虚大。因此,表现可能千差万别,均不能代表最真实的情况,或者说均不能代表完整的情况,总会有信息的丢失和失真。
下面视频只是一个例子,除了说明重力不是稳定的,不能说明任何别的问题。实际上,沙堆的坍塌也会带来扰动。
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不过,如果有人说,砂子砸向容器底部的冲力不是重力,要严格按照重力的定义,只把“重力”抠出来……
好吧,答案特别简单,流柱有多重,重力就减轻多少。。
承认测试不能说明问题不丢人。现代人需要习惯很多问题无解、很多事情解释起来很复杂。没有答案比强行解释要好得多,承认不想听复杂解释,比强行简单解释要好。不懂可以躺平,也可以想办法减少失真,把它弄清楚,但不要强行装懂。
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