硬幣瞬間消失?!用「硬幣達摩落とし」親身感受慣性定律的神奇力量!

我是科學訓練師桑子研。每天都是一場實驗。

一聽到「慣性定律」(慣性の法則),大家腦中會浮現什麼畫面呢?很多人可能會回答:「就是公車緊急煞車時,身體會往前衝的那個感覺!」「喔,對對對!」教科書上寫著「除非物體受到外力作用,否則會持續保持其原有的運動狀態」,這句話光用文字來理解,連大人都會覺得吃力。所以這次,我們要介紹一個能讓你一秒親身體驗這個「霧煞煞」(搞不清楚)的物理定律、宛如變魔術般的實驗。它的名字就叫做:不倒翁(達摩)彈飛慣性實驗。雖然構造超級簡單,但效果驚人、成功時能讓全教室都響起掌聲的實驗!請務必來體驗看看這份感動。

為什麼這個實驗這麼有趣?

我在課堂上介紹這個實驗時,一開始也會照本宣科地解釋。但學生們的眼神總是沒有光芒。這時候,我就會拿出這個實驗道具。我以前也試著拍成影片,但失敗了好幾次。原因出在我用的尺的厚度。一般的竹尺有點厚,敲下去的瞬間,力量不僅傳到了硬幣,連上方的瓶子也受到了影響,結果全部垮下來。然而,後來我換成薄型的金屬尺後,整個世界都變了。尺「咻」地一聲,只把硬幣彈飛,瓶子則「咚」地一聲,直接垂直落下,停在原地。這種成功的體驗是無可取代的!在實際的課堂上,我也請學生來操作,結果竟然一次就成功!他回家練習了好幾次,後來在班上被大家稱為「慣性達人」。

實驗準備

成功的關鍵在於「器材的選擇」和「重量」。請準備以下物品:玻璃瓶(雖然寶特瓶也可以,但玻璃瓶的質量(重量)較大,「想留在原地」的力量較強,成功率會更高。)水(裝入瓶中,增加額外重量。這是利用「越重的東西越不容易移動」的慣性特性。)玩具硬幣(大創等地方可以買到。表面光滑的最佳。)薄型金屬尺(具有反彈力,敲擊時不容易晃動。這是最關鍵的重點!)

實驗步驟

準備好了之後,就開始正式實驗吧!將2到3枚硬幣疊在一起,平穩地放在桌上。接著,將裝了水的瓶子輕輕地放上去(請小心翼翼地保持平衡,不要讓瓶子倒下)。將尺插到硬幣下方,毫不猶豫地、快速且水平地將尺敲出去!

怎麼樣?成功的話,只有硬幣會被快速彈飛,而瓶子就像什麼事都沒發生過一樣,直接垂直降落到原地。這正是「慣性定律」(靜止慣性)在作用的證據。由於瓶子原本是靜止的,即使下方的硬幣在一瞬間消失,它仍然保持著**「我還想待在這裡不動!」的特性**。結果,它只會因為重力而垂直落下,不會往旁邊移動。

補充:持續運動的物體會繼續運動的世界

剛才我們討論的是「靜止的物體會保持靜止」的情況。那麼,一旦開始移動的物體會如何呢?我們用同樣的「慣性」概念,來看看空氣曲棍球(Air Hockey)的實驗吧。就是遊樂場裡玩的那種。在光滑的表面上,物體一旦開始移動,即使不再施加外力,我們仍可觀察到它會「咻~」地持續滑行。

仔細看,空氣曲棍球檯上佈滿了無數小孔,下方會噴出空氣。這些空氣會將球體輕微抬起,大幅減少了球與檯面之間的摩擦力。如果講得專業一點,動摩擦力的公式是 $F = \mu’N$(摩擦係數 × 垂直作用力)。這裡的重點是,決定摩擦力的不是單純的重量(Mg),而是物體壓在表面上的力量(垂直作用力 N)。當空氣將球體抬起時,壓在檯面上的力量幾乎歸零,結果摩擦力也隨之消失。在沒有摩擦力的世界裡,物體會永遠運動下去。這就是「等速直線運動」。在地球上,我們無法避免摩擦力和空氣阻力,但有一個地方沒有這些影響……沒錯,就是宇宙。在宇宙空間進行的實驗,就是慣性定律的完整體現。也推薦大家看看毛利先生的這部影片。像不倒翁實驗那樣的「靜止慣性」,以及持續運動的「運動慣性」。將這兩者連結起來,連宇宙的奧秘都能窺見一二。接下來要不要試試看「抽桌布(拉桌巾)」的實驗呢?

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