9 февраля 2011 г.

Магнитные шарики-2

В комментариях к предыдущему посту, а также в гуглобаззе было много разных предложений, почему шарики крутятся так долго, но главную особенность многие угадали сразу: контакт с поверхностью есть только у одного шарика, а второй крутится в воздухе, держась за первый. Вот фотка:


Мое понимание явления такое: два слепившихся шарика представляют собой волчок, который при определенной скорости вращения начинает вставать на дыбы. Кстати, в том же баззе мне дали ссылку на видеоролик с механическими демонстрациями из МИФИ, и там на 0:20 как раз показан этот процесс. Этот волчок не только крутится в горизонтальной плоскости, но и вокруг своей оси (и эту скорость мне пока не удалось измерить). Нижний шарик в результате не скользит, а катается по поверхности. Из-за маленького трения качения энергия этих шариков теряется медленно, и они успевают сделать сотни оборотов, прежде чем угловая скорость упадет до порогового значения, при котором второй шарик касается поверхности. Сразу после этого начинается трение, и происходит остановка.

Поступательное движение гасится как раз потому, что нижний шарик не может катиться вперед. Он уже и так участвует в своем круговом вращательно-катательном движении, так что он может только соскальзывать вперед. А вращение у нас — это не скольжение, а качение, так что связь, про которую я говорил, тут пропадает.

В комментариях еще предполагали, что второй шарик не висит в воздухе, а постоянно подпрыгивает. Я такого не засёк, но и из энергетических рассуждений понятно, что так не должно быть. Я проверил, что если шарик просто кинуть на пол с манькой высоты, он ударится всего несколько раз и остановится за долю секунды, т.е. энергия при ударе тратится слишком эффективно.

Единственное, что мне до сих пор не совсем понятно, откуда берется такой звук. По-видимому, из-за того, что пол и поверхность шарика не совсем ровные — других причин не видно.

В комментариях еще спрашивали: а долго ли вращаются три сцепленных шарика и что при этом происходит? Ответ на это дает еще одна фотка:


34 комментария:

  1. Думаю, что, все-таки, не все так просто. Мне кажеться что шарики при таком вращении постоянно меняются местами прикасаясь к полу по очереди и "подпрыгивая". По идее, скорей всего в определенные моменты времени пара щаров просто висит в воздухе. В том числе и поэтому трение в таком процессе минимизировано. И этот-же процесс отвечает за дребезжащий звук. Я постараюсь сделать фотки для подтверждения этого.

    ОтветитьУдалить
  2. Я получил подтверждение что в определенные моменты шарики летают в воздухе. Вот тут снимок который это подтверждает - http://andyhost.ru/shariki/DSC_5560_L.JPG (там-же и оригиналы - DSC_5560.JPG и DSC_5560.NEF)
    Зафиксировать этот момент было очень сложно - в основном получались снимки где один из шаров касается поверхности. Видимо процедура подскока и смены шара очень быстрая.

    ОтветитьУдалить
  3. Вы меня заинтриговали :) Я не понимаю, как такое может быть. Ну хорошо, придется поэкспериментировать побольше.

    А может вы меня обманываете — просто уронили шарики на стол и сфотали? :) Дело в том, что если они действительно постоянно подскакивают, то вероятности увидеть отрыв в произвольно взятый момент велика, порядка половины. Они не могут долго касаться, касаться, а потом подпрыгивать.

    ОтветитьУдалить
  4. У меня тоже сначала была мысль что они на неровностях подпрыгивали. Но я их снимал в тот момент когда их вращение уже устаканилось (запустить шарики, схватить фотик весом почти в 2 кг, навестись вручную на резкозть - просто не успеешь снять как они прыгают :) ) - они вращались на одном месте. Конечно, для чистоты эксперимента надо взять очень ровную поверхность типа стекла. Думаю что я еще попробую в более чистых условиях поснимать.

    ОтветитьУдалить
  5. > Единственное, что мне до сих пор не совсем понятно, откуда берется такой звук. По-видимому, из-за того, что пол и поверхность шарика не совсем ровные — других причин не видно.

    Этот звук? http://www.youtube.com/watch?v=B1qa75Z-Pd0

    ОтветитьУдалить
  6. Нашел более гладкий стол - на многих снимках явно видно расстояние от нижнего шарика до поверхности. Но так-же видны и шероховатости поверхности. Сейчас еще на стекле поснимаю, но, боюсь, там не будет видно расстояние от шарика до поверхности...

    ОтветитьУдалить
  7. Анонимный9/2/11 18:45

    А примерно с какой частотой они "звучат"? Можно записать звук и посмотреть на форму и спектр. Меняется ли звук на разных поверхностях? (у меня нет под рукой шариков).

    Если взязть два сцепленных шарика в статике на столе и повернуть их относительно друг друга, то они прокатятся по столу вокруг общей вертикальной оси. Казалось бы - хорошие условия для катания, поскольку относительно друг друга шарики вертятся легко и катаются тоже легко. Однако, когда они сталкиваются, возникает существенный вращательный момент одного шарика относительно другого, который совсем не совпадает с тем, что необходим для мирного кружения. Поэтому, я предполагаю, что один из шариков мирно катается, а другой бешено бьется. А поскольку в момент удара он является существенно "крученым", то отскок получается резкий очень резкий, с малой потерей энергии.

    Для окончательной проверки надо взять slo-mo и посмотреть.

    ОтветитьУдалить
  8. Советую вспомнить такую игрушку как "Гремучая змея". Там два овальных очень сильных магнита. При их подбрасывании получается похожий звук. Только тут еще удары об поверхность добавляются.

    ОтветитьУдалить
  9. Анонимный9/2/11 19:32

    Ага, вот запись звука на стекле.
    http://www.youtube.com/watch?v=LELYjhYdN_I
    Явно слышены удары металла о стекло.
    И дельше еще интересный эффект, как их можно "поддалкивать" катушкой. Как я понял, он просто взял боббину с эзернетовской витой парой и поставил на нее блюдце. Вращение хорошо синхроницизируется с 20 герцами. Правда не очень понятно, как передается энергия - при такой конфигурации, на одной полуволне один шарик притягивается, другой отталкивается в вертикальном направлении, на другой - наоборот, что по идее провоцирует удары о поверхность. Не очень понятно, как передается вращающий момент.

    ОтветитьУдалить
  10. По результатам съемок на стеклянной поверхности:
    - ни одного "прыжка" не зафиксировано. Однако, я это пока отношу к неудачному ракурсу - не было возможности снимать прямо вдоль поверхности;
    - звук на стекле тише и время вращения в среднем существенно меньше чем на деревянном лакированном столе, т.е. я все-таки склоняюсь к мысли что в предыдущие разы были прыжки на неровностях поверхности.

    ОтветитьУдалить
  11. Я согласен, что надо думать о "гремучей змее" (не знал, что она так называется, кстати, у меня - круглые шарики в несколько сантиметров диаметром). И на видео звук явно "металлический". На моих шариках непонятно, чего они дрожат, а потом слипаются намертво. Не хватает знаний о том, как именно эти магниты устроены. Если шарики слеплять, не выпуская из рук, то чувствуется, как они проворачиваются. Наверное, изначальная взаимная ориентация неоптимальна. Казалось бы - один раз попали в минимум, и успокойтесь. И тут вспоминаются рассуждения из комментариев к предыдущему посту о возникающих токах. Чтобы это работало, надо допустить, что энергии на взаимное трение шариков тратится пренебрежимо мало.

    ОтветитьУдалить
  12. Анонимный10/2/11 17:55

    Возможно шарики крутяться вокруг общего центра тяжести, поочередно ударясь то одним шариком то другим о поверхность...

    ОтветитьУдалить
  13. Анонимный10/2/11 21:09

    а может быть гироскопический эффект

    ОтветитьУдалить
  14. странно - мои шарики вращаются вокруг общего центра, если их сталкивать по три: два крайних приподнимаются и не касаются поверхности.

    звук одинаковый как при вращении, так и при одиночном качении (по стеклянному столу)

    ОтветитьУдалить
  15. Анонимный11/2/11 07:24

    Вполне возможно, что между шариками и поверхностью создается воздушная подушка

    ОтветитьУдалить
  16. Анонимный12/2/11 09:48

    Будут ли еще фото? Ясности пока нет.

    ОтветитьУдалить
  17. Анонимный13/2/11 08:49

    К снимку с тремя шариками автор пишет: "В комментариях еще спрашивали: а долго ли вращаются три сцепленных шарика и что при этом происходит? Ответ на это дает еще одна фотка:" Что происходит из снимка не видно. Где проходит ось вращения группы шариков? Как получена такая группа? Гироскопический эффект вызван вращением шариков вокруг своих осей, видимо. Это вращение факт или предположение? Что случится, если шарики вращаются в разные стороны?

    ОтветитьУдалить
  18. Подозреваю, что шарики вращаются все вместе, а не по отдельности, и вокруг общего центра тяжести, а если есть гироскопический эффект и прецесия, то они относятся ко всей группе шариков в целом, а не к каждому в отдельности, и не думаю, что какой-то шарик всё время в воздухе висит, ведь на него действует сила тяжести...

    ОтветитьУдалить
  19. Анонимный19/2/11 21:12

    Полагаю,что вся хитрость их поведения заключается в их форме - ШАРИКИ!Не кубики,не пирамидки и т.д.Плюс магнитные свойства материала.

    ОтветитьУдалить
  20. Думаю, что магнитные свойства приводят к тому, что пара шариков оказывается сцепленной и превращается в гантельку, которая и вращается вокруг своего центра тяжести. Возможно, ось вращения наклонена и прецессирует.

    ОтветитьУдалить
  21. Анонимный20/2/11 16:22

    А как вот этот трюк объяснить с точки зрения физики: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=7ctaA2mERzI#at=135

    Говорят лучше делать с квадратным стаканом, проще закручивать.

    ОтветитьУдалить
  22. Timoochin21/2/11 08:31

    Я всегда думал, что природа дребезжащего звука заключается в том, что столкновение шаров весьма упруго. В итоге они отскакивают друг от друга, притягиваются опять, снова ударяются, отскакивают и так по кругу.

    Мысль о сталкивании-отскоке приходит в голову потому, что такое же дребезжание есть и при столкновении подброшенных в воздух шаров. Там ведь никакой поверхности нет, они явно долбятся друг об друга.

    ОтветитьУдалить
  23. Timoochin21/2/11 08:36

    Полагаю, кстати, что эти магнито-механические колебания упруго отталкивающихся магнитных шаров вполне поддаются достаточно точному математическому расчету, особенно если пренебречь сопротивлением воздуха. Сравнив расчетную частоту звука с тем, что слышит ухо, можно было бы оценить верность гипотезы. Увы, сходу мне такая задачка не по зубам, а лезть в книжки пока не охота.

    ОтветитьУдалить
  24. Анонимный21/2/11 12:44

    Есть видео, где замедленно показано столкновение. Действительно многократно сталкиваются в воздухе.
    [url]http://www.youtube.com/watch?v=l1T3sfsFnxI#ws[/url]

    ОтветитьУдалить
  25. Анонимный21/2/11 23:10

    > А как вот этот трюк объяснить с точки зрения физики: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=7ctaA2mERzI#at=135

    Этот трюк никак не объяснить с точки зрения физики. Это стопроцентный фейк. С монтажем надо было поработать получше.

    ОтветитьУдалить
  26. Снял видео с волчком-грибом, который переворачивается на ножку после того, как его закрутить, а потом опять опрокидывается на шляпку после остановки:
    http://www.youtube.com/watch?v=h8mz2buJYHc
    Как объяснить такое - не знаю. :-)

    ОтветитьУдалить
  27. Анонимный23/2/11 09:29

    Денис Румянцев, объяснение есть тут
    http://www.astronet.ru/db/msg/1176373/page16.html#lnk4-5

    ОтветитьУдалить
  28. Уже видел, правда не понял суть анализа устойчивости вращения волчка.
    Волчок этот, оказывается, называется "тип-топ" или "китайский волчок".

    ОтветитьУдалить
  29. Анонимный24/2/11 04:49

    "Уже видел, правда не понял суть анализа устойчивости вращения волчка."

    Если на пальцах, то у этого волчка смещен центр контакта на шляпке "грибка". Из за этого его начинает "колбасить", а дальше работает прецессия. Похожий эффект наблюдается с обыкновеным вареным яйцом, если его очень сильно закрутить на боку.

    ОтветитьУдалить
  30. Анонимный24/2/11 12:13

    Посмотрите видео с МКС
    http://www.youtube.com/watch?v=GZBxJX3aAB0#
    это Эффект Джанибекова (гайка Джанибекова)
    есть программа симуляции, интересно поиграть настройками.
    http://oko-planet.su/science/sciencehypothesis/15090-yeffekt-dzhanibekova-gajka-dzhanibekova.html

    ОтветитьУдалить
  31. Анонимный25/2/11 12:53

    Вот таковой вот ответ http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=64:1310-4#117

    Суть: автор темы прочел журноламеров и впечатлился - уверовал в то, что Великий Джанибеков был первооткрывателем эффекта. Вот, даже название придумал - "эффект Джанибекова", "гайка Джанибекова".

    При всем уважении к тов. Крысину и автору, сподобившемуся сделать неплохую программу: поведение тела, закрученного вокруг средней оси, известно человечеству, наверное, уже лет двести, вряд ли меньше. В космосе его просто очень удобно демонстрировать, т. к. на земле закрученное тело можно наблюдать в основном в броске, и при этом из-за поступательной скорости и быстроты падения не удается в деталях рассмотреть поведение. Сделать это можно, воспользовавшись карданной подвеской гироскопа. В студенческих лабах есть такие, для измерения моментов инерции.В космосе же все перед глазами, наглядно. Тов. Джанибеков вовсе не был первым, кто это заметил: на ютубе есть видеоролики подобных опытов, снятых на "Скайлэбе" еще в 73-м, а я наблюдал аналогичную съемку, которую делали на "Аполлоне-14" на пути от Луны к Земле. Так что при всем желании автора темы приоритета у тов. Джанибекова нет, увы. В курсе механики в вузах это движение рассматривается в теме о моментах инерции.
    Добавление от 03.03.2010 00:31:

    LoeG
    И это вы тут не выдумывайте -давайте записи опытов. -у 7-40 вона книги переворачиваются в полете, у вас ластик -да че угодно -дайте посмотреть.

    1) Берем не очень толстую прямоугольную книгу в твердой обложке, которую не очень жалко.
    2) Плотно обматываем ее разок веревкой и завязываем так, чтоб она не раскрывалась в полете.
    3) Берем книгу четырьмя пальцами с двух сторон - со стороны корешка и противоположной. В общем, так, чтоб она была нормально ориентирована к Вам, как будто Вы готовитесь ее читать.
    4) Резким движением пальцев быстро закручиваем ее вокруг оси, параллельной нижней и верхней сторонам книги (не обложкам, а именно сторонам), одновременно слегка подбрасывая ее вверх.
    5) Внимательно смотрим, что получается, и пытаемся схватить книгу через короткое время.
    6) Если все получилось, то книга окажется в руках перевернутой "вверх ногами".

    ОтветитьУдалить
  32. Анонимный27/2/11 16:59

    проверил тоже, согласен с первым замечанием
    "Думаю, что, все-таки, не все так просто. Мне кажеться что шарики при таком вращении постоянно меняются местами прикасаясь к полу по очереди и "подпрыгивая". По идее, скорей всего в определенные моменты времени пара щаров просто висит в воздухе. "

    Есть другой более наглядный эксперимент:
    раскрутите монетку и поставте ее на стол торцом, в некоторый момент она начинает "колебаться" амплитуда уменьшается, частота колебаний растет, а затем монетка и вовсе падает - в этот момент монетка/шарики остамавливаются.

    ОтветитьУдалить
  33. Анонимный2/3/11 18:34

    Taralex
    Как я раньше говорил, что все магниты: большие и маленькие мои любимые игрушки. Вот и эти намагниченные шарика зацепили меня за живое и за профессиональное самолюбие. Исходные зацепки:
    1. Отдельные шарики при вращении в системе начинали спонтанно прыгать
    2. Периферийные шарики в отличии от опорного приподнимались над поверхностью, поэтому вращение системы длилось долго.
    Униполярный индуктор («Физика для поступающих в вузы Е.И Бутиков, А.А. Быков, А.С. Кондратьев 1982 г) для объяснения наверное (это еще вопрос) не годится. Выбираю самое простое решение.
    Вкратце так. В исходном положение цепочка шариков (для начала 2 штуки) соприкасаются на полюсах S-N↔S-N в состоянии непосредственно перед вращением. Вращение. Если опорный шарик и вращается, то из-за корриолисового ускорения угловая скорость периферийного шарика все таки меньше. А это значит, что периферийный шарик обкатывает опорный. Поскольку магнитные полюса одного шарика смещаются относительно магнитных полюсов другого шарика, то возникает изменяющее (синусоидальное) по напряженности магнитное поле. Это поле способно индуцировать в каждом из шариков кольцевые токи. Взаимодействие каждых из этих индуцированных токов с чужим переменным магнитным полем. Результатом будет являться сгущение магнитносиловых линий около стыка шариков у поверхности на которую опирается опорный шарик и их разрежение на противоположной стороне. Все остальное очевидно. Если мой вывод не верен, то это из-за отсутствия необходимой информации, которую можно легко получить непосредственно из эксперимента. Если конкретно, то надо бы нанести метки на шариках, чтобы при помощи быстрой съемки померить угловые скорости вращения шариков.

    ОтветитьУдалить
  34. Анонимный9/3/11 22:36

    Я снял столкновение шариков диаметром `5 мм на видео и в редакторе уменьшил скорость просмотра в 10 раз. Хотя даже этого явно недостаточно, чтобы рассмотреть процесс в деталях, уже в целом можно понять что происходит. Как здесь верно заметил Денис Румянцев "Думаю, что магнитные свойства приводят к тому, что пара шариков оказывается сцепленной и превращается в гантельку, которая и вращается вокруг своего центра тяжести. Возможно, ось вращения наклонена и прецессирует." Все так и выглядит. Шарики как будто сцеплены резинкой - они сталкиваются друг с другом, отлетают и вновь притягиваются друг к другу. Это в плоскости, параллельной поверхности стола. Кроме того, они еще поочередно подпрыгивают над столом и вращаются, как мне показалось, вокруг общего центра масс. Кроме того, в момент начального столкновения отчетливо видно , что оба шарика подпрыгивают в воздух(правда, как я смог разглядеть, на разную высоту) и сразу после этого запускается "волчок". Звук этого удара слышен очень отчетливо - характерный низкий короткий "Бум", и уже потом начинается вибрирующий звук волчка.

    ОтветитьУдалить