简单甩鞭子会发出响声,具体过程科学家仍然没有统一的结论!( 二 )



但是随着往前甩的过程 , 越来越多的部分停下来了 , 于是能够运动的部分就越来越少了 。 最后就只有最后的这一段 , 它还在运动 。 而这个运动的速度它就可以超过升速 , 形成这种引爆现象 , 发出了啪啪的声音 。 那你这个鞭梢的末速度非常快 。
近代高速摄像机的研究那么这种观点对不对呢?需要做实验验证 。 开始人们没有高速摄影 , 后来到了1953的时候 , 有一个法国的这个学者 , 名字叫作卡利雷 。 他就用了一套高速的摄影装置 , 结果就把边梢的末速度算出来了 , 大约是900m/s 。 说明的确已经超过了声速 , 发生了音爆现 。 所以就证实了啊卢默的这种说法 。

再后来又有一位德国学着 , 名字叫作基尔 。 他通过更好高速摄影机测出了这个鞭子的鞭梢的加速度 , 结果加速度有50000倍的重力加速度的大小!所以它加速度非常大 , 它就可以在很短的时间内从静止加速到一个超过音速的这么一个速度 , 就是鞭子发出声音的原理 。

在这一点上 , 科学家们基本上统一了!但是整个过程是怎么样的 , 科学家的认识还没有统一 。 但是发生音爆的具体过程是怎样的 , 具体还不清楚 。 接下来谈谈对鞭子产生音爆的具体过程!
能量守恒在抽鞭子的时候 , 这个过程手是对鞭子做功了 , 这个功就变成了这个鞭子的动能 , 量值为W= mv , m 为质量 , v 就是速度 。 值得注意的是 , 到最后发出声音是 , 只有鞭梢在动 , 质量是鞭梢的 。 另外来讲呢 , 鞭子粗的部分可能是皮做的 , 或者甚至用铁链做的 , 那它前面这个末梢往往是用线做 。

密度也比较小 , 因为越来越短 , 越来越细 , 密度越来越小 , 所以就造成了m 减小 。 那么m 一旦减小的 , 大家看能量是守恒的 。 m 如果减小 , v 就会增大 。 最终整个都已经平坦起来了 。 它的这个m 已经非常非常小 , 甚至于趋近于零了 , m 如果趋近于零了 , 速度v 就会趋近于无穷大 。

所以理论上来讲 , 速度可以达到无穷大 , 但是实际上是不可能的 。 所以用能量守恒来解释它其实非常简单 , 简单来说就是能动的部分越来越小了 , 能量总和不变 , 那质量变小了 , 所以它速度就变大 。

但是也有人不认同这种观点 , 就是在运过程之中 , 运动部分和静止部分之间彼此发生相对运动 , 就有可能产生热量 , 能量就不守恒 , 也许我们用动量守恒或者角动量守恒 , 能够更好的解释它 。 所以不同的人对于这个具体过程的解释是不一样的 。
现代科普老师——李永乐 , 尝试做出了一些解释!牛顿第二定律首先有一个绳子 , 把它弯成了一个u 型 , 在这种情况 , 这个弯的这个部分因为在运动 。

所以它会受到向心力 , 或者说我们可以认为它表现为受到一个惯性的离心力(惯性离心力是大学理论力学的内容) , 就是它每一部分都往外 。 惯性离心力大小 , 每一部分的惯性离心力大小为

r就是你弯过来的这个圆的半径 。 首先思考一个问题 , 为什么弧形这一段绳子没有飞出去呢?是因为它在这个位置被拽着 , 这个力使它没有飞出去 。 我们可以通过圆周运动的公式具体算出这个力来 , 大小为

这个ρ表示的是线密度 , 就是单位长度上绳子的质量 。 然而这个数是与绳子的半径没有关系的 , 不管绳子的半径有多大 , 都是需要这么大的力 。 只要有这么大的力 , 这一段绳子就可以一直转 。 如果没有这么大力 , 这段绳子就会飞出去 。 再来看这个鞭子的问题 , 再画一个鞭子 , 实际上它是越来越细的 。

但是为了研究这个问题方便 , 就把鞭子看作是一个粗细均匀的物体 。 认为鞭子的粗细是均匀的 。 上面的部分已经静止不动了 , 而底下的部分还在往右以速度v 运动 。 如果底下的这一部分正在往右以速度v 运动的话 , 那么这一个半圆它会以多大速度运动?显然它的速度就是v。

那么我们以这个半圆环的中心为参考 , 这个系统实际上是在转圈的 , 就是半圆实际上是在转圈 。 在这种情况下 , 在a点和b点就都会出现力 。 这个力大约做近似的话 , 大约就是
Fa=ρ(v) 。
底下x部分本来是静止的 , 但是由于b点的作用力让而给底下部分产生了加速度 , 这个加速度是

我们对加速度a 进行分析 , a=dv/dt 。
v 还可以怎么表示?v 实际上是因为底下的长度x 发生变化造成的 , x 越来越短 , 所以它是-2倍 。

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