可能大家都看過這樣一個小實驗,使用3根火柴進行組合,就能在桌子邊緣輕易懸掛一瓶水,乍一看感覺是不是很神奇,甚至有人會覺得是假的,首先說明影片中畫面的是真的,不信的可以自己做個驗證,下面就簡單剖析一下為什麼可以實現這樣看似神奇的操作。
3根火柴輕易懸掛一瓶水
針對這種物理學小實驗,想要解析就先建立一個小小的力學模型,為了讓大家可以很簡單地看懂,在這裡我們就撇去一些跟我們討論的課題無關的“力的分解”問題,在這裡簡單稱作支撐力,向上、向下的力等等,以免有人誤解。
上圖是一個簡單的力學模型,左側就是影片中的主檢視,右側則是側檢視。AB,CD,CE粗實線分別代表三根火柴,其他細線則表示懸掛水瓶的繩子。首先看左圖,AB火柴透過繩子牢牢“卡在裡面”,在這裡它收到兩側繩子的擠壓力,所以A,B兩點受到的摩擦力是很大的,在這裡可以看做AB火柴“焊”在了上面,因此CD火柴則受到C點向下的力和D點向上的支撐力,於是形成了一個平衡。
再看右圖(側檢視),CE火柴受到E點向下拉力,同時又受到C點和桌子的向上支撐力,於是也形成了一個平衡。但是這種平衡僅僅是指本身結構的平衡,把三根火柴、繩子和水瓶看做一個整體,這個整體想要“掛”在桌子上還需要一個最重要的條件,那就是整體的重心必須落在桌子上。
桌子邊緣離開重心所線上就無法懸掛水瓶
所以可以發現:桌子的邊緣必須靠近ED這條線,也就是三根火柴、繩子和水瓶組成的系統重心所在垂直線,理想狀態下這個系統重心就在這條線ED上,但是實際由於CE火柴與桌子的摩擦力以及系統的微小變形原因,整個系統的重心實際已經偏離ED線,落在了桌子上,於是條件就成立了,水瓶穩穩地懸掛在桌子邊緣。
其實就好比你可以輕易地將一把鐮刀頭“掛”在桌子邊緣一樣,只要鐮刀自身系統穩定,加上重心偏移至桌子上,就可以很簡單的實現。