【官方雙語】充氣人偶為何舞動？軟管不穩定性

所以我把自己給電癱了，而且還是個很精彩的電癱。我心想， 我們一起來想想看吧？我給孩子們買了這個噴水玩具， 而且讓我想到那些奇形怪狀、搖搖晃晃的，你知道的，跳舞的人偶東西。而且 我突然想到一個問題，這機制是一樣的嗎？乍看之下，它們似乎非常相似。 但經過進一步檢查，我就不那麼確定了。所以我們將弄清楚這兩件事究竟是如何運作的。 而且，劇透警告，這很怪。途中，我們會跟一些消防員談談。 因為事實證明，那種荒誕、搖晃、充氣的管狀人機制可能致命。 消防員。真的。而且當我們在那裡的時候，我們會發現大多數人相信某件事 關於消防員的說法並不正確。那個瘋狂搖晃的充氣管狀人，還有這個園藝玩具 至少兩個例子都顯示了軟管不穩定的情況。這種軟管不穩定現象在少數情況下可見。 不同的情境下，即使只是一根園藝軟管，只要壓力足夠，也能達成效果。 而且這種行為是消防員必須接受訓練才能應對的。液體不必 它是液體，也可以是氣體。如果我把這根柔韌的管子接上我的空氣壓縮機，那麼我們就得到 相同的行为。這裡以慢動作呈現。這些液體同樣是氣體，但在我看來， 這種行為差異很大。讓我們先嘗試解釋此類行為的不穩定性。 空氣壓縮機的配置很有用，因為我可以藉此進行實驗，而不必單純依賴其他方式。 濕得不可思議。假設我們一開始使用一根直的水管，但接著我們引入一個小小的 擾動。現在在那個彎道內，水流正在改變方向。在進入彎道的過程中， 它在這個方向上有動量，而在向外運動時，它在這個方向上也有動量。 這意味著它一定經歷過某種力。這力的方向很容易計算出來， 這只是兩個向量之間的差異。因此我們知道，力的作用方向正是這樣。 方向。我的意思是，看吧，我把這件事弄得比實際需要的還要複雜。其實這只是…… 你知道的，對吧？就像某物往左推時會往左彎曲一樣。但 當然，我們知道每一作用力都有其相等且反向的反作用力。因此，如果管子在施加推力， 當水推動管道改變方向時，水必定對管道施加了推力。 當然，這也很明顯。我們可以想像水猛烈地拍打在內側。 管壁。因此，如果水在這個方向上受到一個力，彎曲部分的管壁就會產生作用。 軟管在此方向上必須承受一個力。因此，軟管的這一點微小彎曲會變得更大。 由於水的壓力向外推擠。從這個點開始，如果軟管相對較短， 那麼，運動就變得相當可預測了。它左右振盪，這是有道理的。 因為隨著越來越多的軟管被彎曲處的力拉動而開始運動，情況就變得如此。 最終，軟管的末端在移動。從它的幾何形狀可以看出，它正在移動。 以一種使其最終指向相反方向的方式。它翻轉過來，現在曲線是 軟管的指向相反了。因此軟管所受的力的方向也隨之翻轉。所以 然後曲線開始反向增長。接著，末端再次翻轉，循環持續進行。 換句話說，有一條主導的曲線，它會在兩側之間反覆翻轉。但如果軟管稍微…… 更長的話，你可以讓軟管前端具有主曲線，但後續則會出現次級曲線。 仍然在靠近底座處較為重要。而這兩條曲線將互相影響。 不斷以不同速率成長、縮小並翻轉。因此你最終會得到一個混亂的系統。 一段特定長度的軟管。這有點像河流變得蜿蜒曲折一樣。一個微小的彎曲，就會導致 河流導致外側河岸侵蝕，因此彎曲處變得更加明顯。有時你會看到 在沿玻璃流淌的水溪中，看到那景象的加速版本。還有類似的情況。 當旗幟飄揚時發生的情況。我在一份報紙上讀到，氣球放氣時，其頸部會發生…… 是簡單的左右往復運動，而不是混亂的運動。所以就像我們當初所做的那樣 氣 hose 短得只能左右晃動。但令人驚訝的是，當我測試時，它竟然真的 看起來更像是一位空中舞者。開玩笑地說，我們可以在這根軟管的末端稍微彎曲一下。 這很酷，不是嗎？這並不是同一種類型的不穩定。事實上，如果將錨 如果軟管的末端能夠完美地旋轉，就不會有不穩定的情況出現。它只會是 一個旋轉的花園灑水器。卡片描述中的連結可觀看我與德斯汀一起製作的影片。 來自《每天更聰明》的內容，關於噴水器朝內噴水這種看似奇特的行為。 如果一名消防員失去對水帶末端的控制，它很可能會像一條鞭子一樣亂甩。 一條水管在高壓下會有什麼情況？這是消防員接受訓練時會學習的內容。 遇到這種情況該怎麼處理。我是值班官喬瑟夫·海恩斯，目前在總部。 在中央運作時。過去一旦發生這種情況，人們就會沿著線路爬行。為什麼會這樣？ 他們真的這麼做？為什麼他們不直接關掉呢？我們又沒有這種可以切斷的直角閥門來關閉。 因為你面前有大量水流以相當快的速度移動。所以就像你一樣 在家時，我們得轉動一下閥門。所需時間並不太長。 但問題在於，那根軟管中仍會保留所有的儲存壓力。 甩動了幾秒鐘。大約就是這麼長時間。所以 那根软管很快就會安全，只需幾秒鐘。還有緊急情況下的選擇。 停在那裡，這將完全停止泵的運作。但如果我需要供應多個噴嘴，情況就不是這樣了。 選項。其實，所有這些讓我開始思考學校裡經常教我們的一件事， 你會在教科書中看到它，甚至在一些聰明人的演講中也能看到。但其實它卻是 我現在認為有問題的一點是，需要多大的力量才能保持固定 一隻消防水帶噴嘴已就位。例如，在這本教科書中，他們使用了非常合理的論點 那根消防水帶就像一枚火箭。火箭後方噴出噴射燃料，而消防水帶也是如此。 對火箭產生一個大小相等、方向相反的力，推動火箭前進。將此推理應用於 消防水帶，我們得出結論：消防員必須承受全部的反作用力。 所有這些水。換句話說，就好像水管直接對準了消防員一樣。 而且它必須抵禦被推回的力。當你握住水管時，是否覺得 你正抵禦那種力量嗎？絕對的。我的意思是，水從枝幹中噴出， 你在抵觸，不是嗎？這是牛頓第三定律，對吧？來吧，史蒂夫，你應該說出…… 我就是這樣。你隨時可以在你的影片裡證明我是錯的。其實，我倒是真想證明約瑟夫是錯的。 至少試著證明他錯了。因為事實是，水並不會增加 其在噴嘴處的動量。它在軟管中已具有動量，並進一步獲得動量。 因此，應該是泵感受到這股反作用力，而不是消防員。 根據我的推理，如果消防水帶完全筆直，那麼消防員就不需要 抵禦任何力量。但對於一個從未親身處於身體危險中的人來說 在致力撲滅一場房屋火災的過程中，若我輕率地否認這段經歷，那將是極其傲慢的。 有這樣一個人。那麼，到底發生了什麼事呢？嗯，我想我在幾篇論文中找到了答案。 這篇經常被引用的文章由琴所著，指出消防員必須抵禦火勢的全部力量。 水的用途是能夠固定噴嘴的位置。但本文對此論點提出質疑，並進一步闡述 計算消防員從噴嘴所感受到的力，由於彎曲所產生的影響 在軟管中，正如我們看到這根軟管的末端被不斷增加的力拉回一樣 這裡的曲率。顯而易見，消防現場的水管最終會如何在地面鋪展，取決於…… 差異會很大。但有趣的是，對於一條彎角約為90度的軟管來說 彎曲時，你會在噴嘴上產生一個量級相近的力。 天真的火箭式思考方式。因此，我們的消防員覺得自己必須抵擋 因為，嗯，那股力量大約是 那個尺寸。有趣的是，他並沒有被水推回去，而是被拉了回去。 那根想要蜿蜒扭動的軟管。或者至少我原本是這麼認為的。然後我實際上 測量了空氣軟管末端的受力。結果發現，無論如何，這個力都是一樣的。 軟管是直的，還是有完整的旋轉，這一點無法明顯區分。 在那股力量的作用下，軟管的末端會感覺到向後推或拉的力。所以，我肯定 並未證明約瑟夫是錯的。我的意思是，或許我的論證具有說服力。但就像，如果 如果實驗結果對不上，那我就無話可說了。所以我就……我不知道。反正我不喜歡這樣。 這對我來說很有道理，也許你能幫上忙。消防隊的人非常友善，讓我進來了。 並與他們一起拍攝電影。但他們確實希望你知道一件重要的事，這與……有關 這些燒毀的金屬碎片。我們每隔一段時間就會看到一起電動自行車或電動滑板車起火的事件。 倫敦的一天。去年有三人在電動自行車和電動滑板車相關火災中喪生。如果你 必須在家中為它充電，請在一個可以關上門的房間裡進行，這樣就不會影響到其他人。 不要讓它們影響你的逃生路線。千萬不要讓它們在無人看管的情況下充電，也千萬不要給它們充電。 過夜。我們發現的許多事件都是由於費用不匹配所導致的。 還有電池。好了，所以乖乖的。安全充電。但電池呢 奇怪搖擺跳舞人？嗯，我對它們的工作原理有一個假設。但我需要親眼看看一個才行。 快到了。嗨，我是史蒂夫·穆爾德，瘋狂揮舞充氣手臂亂舞管狀人的總裁兼首席執行官。 百貨公司與倉庫。不完全是。我們在超大平價家具館。超大平價家具館，滿足您所有奇趣需求 揮舞著亂舞手臂的人需要。聽著，它的運作方式是，你設定風扇的功率 並不足以讓物件在末端打開的情況下保持僵硬。因此，最終這物件 因為它只是一塊布料，對吧？但當它塌陷時，會造成一個收縮。 這根軟管。你可以在這裡的摺疊處看到它。因此，由於空氣不易逸出，你會得到 壓力的累積。這種壓力的累積就像吹氣球一樣。因此，皺褶 向上移動。當摺疊到達頂部時，末端再次打開。如此一來，空氣便能夠 自由流動，壓力下降。現在壓力再次變得不足以 所以這感覺真的像是與揮舞的消防水龍帶完全不同的機制。 我那根亂揮的空氣軟管。對了，所以我一直在想這個消防員所受的反作用力 事情。我想我明白發生什麼事了。我們一直沒有的，是從這個角度來思考問題。 流體動力學。具體來說，我們過去並未從壓力的角度來觀察它。因此，壓力 基本上在軟管內部的任何位置都是一樣的。我們知道這一點，是因為水在流動時 以恆定速度流動。因此，如果你考慮水管內部的一小團水，假設它們 以恆定速度移動，這表示作用在它上面的合力為零。而如果合力為零， 對它施加的力，表示該團水四周的壓力必須相同。 但當你走到軟管的盡頭時，會發生什麼情況呢？我們知道軟管內部的壓力 壓力非常高，因為你可以看到水管的壁面在水壓下吃力地膨脹著。 我們知道軟管外部的壓力是大氣壓力。因此，請考慮一個微元 剛從水管流出的水。所以在內部，你會感受到那股高壓。 軟管內部。在外部，你會遇到低大氣壓力。因此，這團空氣受到淨壓力作用。 向外施力。當它離開軟管時，速度會加快，並獲得一些動量。 在噴嘴處。換句話說，就像火箭一樣。所以從頭到尾都是牛頓第三定律。但我們 必須明確指出牛頓第三定律作用的位置。這塊水體所處的位置是 離開噴嘴的水團正被其後方的水團推擠。因此，正是這個水團 水就在那之後，感受到反作用力。我第一個想法是，嗯，確實如此。 但那團水只會推擠其後的水團。而那團水 水會推擠其後方的水團，一直推到泵的位置。因此 回到我的推理上。但這有點像是主張你可以推壓一根棍子的末端。 弦的這股力會一直傳遞到弦的另一端。因此，要成為 完全清楚，現在我認為我們需要考慮兩個獨立的反作用力。 想想看。泵處有反作用力，這就解釋了額外動量的來源。 水在通過軟管時所具有的。然後當水離開軟管時， 由於壓力下降，它獲得了一些額外的動能。這導致了 在噴嘴處產生的額外反作用力。因此，消防員所感受到的反作用力 在噴嘴處感受到的壓力是因為水在噴嘴處速度增加所導致的。 不是水流離開時的完整速度，僅僅是額外增加的速度。並且有可能， 此外，如前所述，由於 hoses 可能會將消防員往回拉，因此也存在這種情況 軟管中的彎曲處正在不斷擴大，導致軟管越來越扭曲盤旋。雖然有趣的是， 至少就我們的氣管而言，管子彎曲處產生的力似乎 與噴嘴因空氣獲得額外作用力所產生的反作用力相比，可忽略不計 當它逃逸到低壓環境時的動量。我們在此處觀察到這種現象。 無論軟管如何扭曲，噴嘴末端所受的力都相同。 但更關鍵的是，當軟管兩端都固定時，不會出現晃動的情況。 無論有多少鬆弛度。如果那些彎曲處的空氣施加了顯著的壓力， 當對軟管施加壓力時，即使兩端固定，我們也應預期會看到一些晃動。 但我們並非如此。對於運送水的軟管，計算結果很可能大不相同。 因為光憑我腦子裡想到的，你知道，空氣的可壓縮性遠高於 水可能會有影響。但這段影像中的一點非常耐人尋味， 真正擺動的只有軟管的末端，而越往下的曲線則沒有。 這些生長情況似乎與我原先的解釋不符。 因此，也許我先前對軟管不穩定性的描述應當加以修改。 也許我們描述它的方式應該更像，你知道的，某個彎曲被引入了 就像這樣。因此，現在軟管的末端-commanded .readyState 會感受到一個朝這個方向的反作用力。 因此它會沿著這個方向前進，就像這樣。但當然，它不可能一直朝著那個方向前進。 因為它被拴在這裡，所以永遠無法走遠。因此，你知道的，它只能走這麼遠，然後就必須翻轉過來。 就像這樣，因為你知道，它在那個方向上有動量，所以會繼續往前走。 當然，你知道，當軟管的末端那樣改變方向時， 因此，反作用力的方向也會改變，對吧？所以，你知道，某種程度上來說 一步一步地，你會看到這種運動，就像這樣，你知道，然後它會翻轉過來，你知道，然後 那麼，反作用力的方向就指向那個方向。於是它便這樣反彈回來。 是的，然後它翻轉過來，像這樣回來。但明顯地，它更順暢，你知道的。 像這樣。是的。實際上，如果噴嘴處存在顯著的反作用力，那麼 也許天空舞者確實與消防水龍帶有那麼一點相似之處。畢竟，這看起來再明顯不過了。 從這段畫面可以看出，頭頂所指的方向非常重要。 看來在開口處有一個反作用力，正是這個力在推頂部這一部分。 天舞者往另一個方向飛去。看來我們之間的共同點比我想像的還要多。希望你 喜歡這支影片嗎？如果喜歡，別忘了按讚訂閱。而且系統認為你會喜歡 享受這段影片吧。