Geheimnis Der 'Schwerkraftverteidigenden' Perlen Enthüllt

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Eine perlenkette kann der schwerkraft trotzen, wie das aus einem brunnen sprudelnde wasser, und nun enthüllen physiker das geheimnis dieses merkwürdigen phänomens.

Eine Perlenkette kann der Schwerkraft trotzen und wirkt wie Wasser, das aus einem Brunnen sprudelt, und jetzt enthüllen Physiker das Geheimnis hinter diesem merkwürdigen Phänomen.

Die Ergebnisse könnten überraschende Auswirkungen auf alles haben, angefangen bei Satellitengebinden bis hin zu Aufzügen, die vom Weltall bis zur Erde reichen.

Ketten gehören zu den einfachsten, ältesten und am weitesten verbreiteten Technologien. Man könnte sich vorstellen, dass Wissenschaftler ihr Verhalten umfassend verstanden haben.

Ein aktuelles Online-Video einer BBC-Kette, das von mehr als 2,5 Millionen Zuschauern gesehen wurde, überraschte viele, darunter auch viele Physiker. Das Video zeigt einen merkwürdigen Effekt, den man zu Hause leicht nachstellen kann - wenn man eine lange Perlenkette in einen ordentlichen Haufen in einem Topf, Becher oder einem ähnlichen Gefäß legt, ein Ende der Kette über den Rand des Gefäßes zieht und es dann freigibt Die Kette fließt nicht nur aufgrund der Schwerkraft auf den Boden, sondern bewegt sich auch spontan nach oben. [Sehen Sie Videos von seltsamen Phänomen von Perlen, die einen Brunnen bilden, und Makkaroni-Brunnen]

Kettenphysik

Die Wissenschaftler starteten ein Projekt zur Vermittlung von Physik an Schüler der Rutherford School Physics Partnership, als sie dieses Video entdeckten.

"Wir fanden es cool und dachten, wir sollten herausfinden, was los ist, und eine Frage an die Schüler der High School stellen", sagte der Studienautor John Biggins, Physiker an der University of Cambridge in England. " Es stellte sich jedoch schnell heraus, dass wir den Sprung der Perlen über den Topf nicht mit den traditionellen Denkweisen über das Aufnehmen und Ablegen von Ketten erklären konnten. Um dies zu erklären, müssten wir uns anscheinend erneut umsehen. Steinideen aus der klassischen Mechanik des Lehrbuchs.

"Dies war der Punkt, an dem wir erkannten, dass wir ein interessantes Forschungsproblem in unseren Händen hatten."

Obwohl das Gewicht der Kette deutlich nach unten zog, wussten die Wissenschaftler nicht, warum die Perlen vor dem Fallen nach oben sprangen. Zuschauer dieses Ereignisses glauben manchmal irrtümlich "dass die Perlen irgendwie magnetisch sind", sagte Biggins. Aber "Magnetismus hat nichts mit diesem Phänomen zu tun."

Außerdem "haben viele spekuliert, dass die Kette gezwungen ist, den Topf nach oben zu verlassen, aber letztendlich auf den Boden fallen muss. Es ist daher keine Überraschung, dass sie sich über den Topf erhebt, weil sie Perlen an der Kette aufnimmt Zeit, um ihren Schwung umzukehren, so wie ein Ball hochgeworfen wird, dann steigt er ", sagte Biggins. "Eine noch subtilere Version dieses Missverständnisses ist, dass sich die Kette um den Scheitelpunkt des Brunnens herum bewegt und sich in einer gekrümmten Flugbahn bewegt."

Beide Ideen "sind jedoch grundsätzlich falsch", sagte Biggins.

Da ihre Berechnungen zeigten, dass die treibende Kraft hinter diesem Effekt nicht auf den vom Schiff wegfließenden Teil der Kette zurückzuführen ist, schlussfolgerten die Wissenschaftler, dass die Kraft, die die Perlen nach oben sprang, letztendlich von dem Kettenhaufen innerhalb des Gefäßes herrührte, das sich irgendwie nach oben drückte.

"Der Push aus dem Pot ist das Hauptergebnis und die große Überraschung", sagte Biggins gegenüber WordsSideKick.com.

Verbundene Stangen

Der Schlüssel zum Verständnis, woher dieser Schub kommt, ist die Tatsache, dass Ketten im Wesentlichen eine Reihe von miteinander verbundenen Gliedern oder Stangen sind. Stellen Sie sich vor, dass eine Stange im Topf horizontal liegt und darauf wartet, sich zu bewegen. Es wird dann von einer Kraft nach oben gezogen, die an einem seiner Enden wirkt. Diese Kraft kommt von dem Teil der Kette, der vom Schiff wegfließt. [Die 9 größten ungelösten Geheimnisse der Physik]

Wenn dieser Stab alleine wäre, würde die Kraft, die er an einem Ende erfährt, ihn heben und drehen lassen, wodurch sich das andere Ende nach unten bewegt. Da die Stange jedoch mit anderen Stangen verbunden ist, "prallt das entfernte Ende der Stange vom Topf oder anderen Gliedern in der Kette ab, und dieser Sprung sorgt für einen ungewöhnlichen Schub", sagte Biggins.

"In der Physik ist es für Schüler selten, echte Forschungsergebnisse zu verstehen, aber in diesem Fall glauben wir, dass sie dazu in der Lage sein werden", fügte Biggins hinzu.

Obwohl die Wissenschaftler diese Forschung nur aus Neugier betrieben haben, könnten die Ergebnisse "möglicherweise Auswirkungen auf die Technik haben", sagte Biggins. "In einer Vielzahl industrieller und technologischer Situationen setzen Menschen ständig Ketten und Schnüre von Haufen ein."

Bei der Textilherstellung werden zum Beispiel häufig von Spulen freigesetzte Fäden verwendet. Darüber hinaus setzen Satelliten und Raumfahrzeuge häufig Gegenstände auf Haltesystem ein.

"In Situationen wie der Weltraumtechnik, in der Energie und Masse so weit wie möglich reduziert werden müssen, kann es von Vorteil sein, diesen Schub beim Aufstellen von Ketten und Leinen zu nutzen", sagte Biggins. "Wenn Sie zum Beispiel zwei Satelliten verbinden möchten, müssen Sie eine Kette zwischen den Satelliten von einem Stapel aus aufstellen.

"Unsere Arbeit sagt, wenn Sie diese Kette einsetzen, indem Sie an ihrem Ende ziehen, wird Ihr Zug durch einen Stoß von jedem Ort, an dem die Kette gespeichert ist, ergänzt. Der Zug, den Sie bereitstellen, kann also kleiner sein, als Sie ursprünglich gedacht haben. Daher können Sie die Kette einsetzen mit einer geringeren Kraft und somit mit einem kleineren, leichteren Motor und mit weniger Energieverbrauch. "

Bei der am weitesten möglichen Anwendung stellten die Forscher auch fest, dass Pläne für den Bau von Weltraumaufzügen - riesige Strukturen, die sich vom Weltraum bis zur Erde erstrecken - oft unglaublich lange Fasern umfassen, die im Weltraum aufgespult werden und sich bis zur Erde erstrecken. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, solche Megastrukturen zu vervollständigen.

Biggins und sein Kollege Mark Warner haben ihre Erkenntnisse im Januar detailliert veröffentlicht.14 in der Zeitschrift Proceedings der Royal Society A.

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