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物理学家证明,飞行的啤酒杯垫将会翻转0.45秒进入飞行状态

没有飞盘的圆形边缘,啤酒垫上用背光翻转。

波恩大学物理学家的灵感来自于使用德国物理示范展前往慕尼黑的飞行啤酒垫的空气动力学。
扩大 /波恩大学物理学家的灵感来自于使用德国物理示范展前往慕尼黑的飞行啤酒垫的空气动力学。

许多酒吧爬行者从事扔啤酒垫的历史悠久的传统 - 那些圆形的纸板杯杯,这是无处不在的酒吧 - 好像垫子是飞碟,经常竞争看到谁可以抛出最远的谁。但与飞轮不同,啤酒垫往往会在空中翻转并用后塑料飞行。现在,波恩大学的物理学家已经提出了一个理论模型来解释现象,根据提交一篇新论文到物理arXiv预打印服务器。

由于他们的自然好奇心,物理学家被啤酒的物理着迷,而领导作者约翰·奥斯迈尔也不例外。几年前,他变得所谓的“啤酒攻丝”的物理学:一个普通的恶作剧,其中捕手拿着一个开放瓶啤酒,在酒吧里拿着另一个开放的瓶子找到一个目标。Prankster用自己的底部袭击了目标瓶的顶部,然后拯救了啤酒爆炸地泡沫爆炸着目标的手和衣服。

早在2013年,马德里卡洛斯三世大学(Carlos III University of Madrid)的物理学家哈维尔·Rodríguez-Rodríguez (Javier Rodríguez-Rodríguez)和几位同事就啤酒罐的原因提出了实验和计算机模拟的发现泡沫膨胀得如此之多摇摇后。他们得出结论,发泡源于一系列波浪。显然,物理学类似于原子弹中云的发展,尽管“爆炸”的来源非常不同。

最初的轻击会产生冲击波,从目标瓶子的顶部传播到底部。冲击波的能量被传递给啤酒,发出第二波冲击波,在瓶底和啤酒表面之间来回反射。所有这些活动释放出微小的气泡,这些气泡被困在瓶子的小瑕疵中,由啤酒中溶解的一氧化碳形成小气泡云2.当它们浮到水面时,这些气泡会变得更大、更快,最终产生大量的泡沫,使敲啤酒成为一种流行的酒吧恶作剧。

Ostmeyer.提交了自己的分析在arXiv上发表了关于啤酒瓶问题的文章,特别关注了为什么下部啤酒瓶会起泡而上部啤酒瓶不会。最初的水龙头会在底部的瓶子中产生一个低压,而CO2气泡膨胀和崩溃成碎片。

更多的气体扩散到气泡群中,上升形成泡沫。在上面的瓶子里发生了不同的事情。因为初始压力较高,所以泡沫中只有适度的振荡,最终的泡沫不会崩溃——或者至少不会达到同样的程度。因此,你不会得到同样的快速增长云把你的整个啤酒变成泡沫。“搞恶作剧的人不留痕迹,”奥斯特梅尔写道。

现在,由2017年到慕尼黑为德国物理外展示范表演的启发,引起了对啤酒席飞行轨迹的紧迫问题的启发。啤酒垫(至少圆形)基本上薄,扁平盘,具有给定的半径和质量。一种飞盘也是一个薄的平盘,其飞行周围的物理是众所周知的。

飞盘独特的曲面上表面本质上是相同的形状(从侧面看)作为机翼。用足够的力量抛它,以克服向下的引力,它就会产生升力。当然,飞盘在空中飞行时也会受到空气阻力或阻力的作用。阻力取决于攻角。如果这个角度是负的,它推动空气向上,迫使飞盘向下,而一个正的角度将推动飞盘向上。为了将晃动降到最低,专业飞盘选手知道在投掷时增加旋转,以确保他们的飞盘在旅途中保持在一架飞机上。

但啤酒垫没有飞盘独特的翼型边缘,这影响了它们的空气动力学。Ostmeyer.et al。通过假设水平飞行和垂直于它移动方向的旋转轴来开始。像飞盘一样扔啤酒垫,旋转将稳定它。

然而,重力的引力很快就会导致垫子下落,这将改变垫子攻击空气的角度。你仍然会获得升力,但它将集中在靠近前缘,而不是垫子的质心。所以垫子会开始进动,迫使它侧翻,这样它就垂直移动了。研究人员的模型预测,这应该发生在飞行约0.45秒。此外,该模型显示,垫子可能有一个下旋(稳定)或上旋(不稳定)。因此,垫子将更有可能有一个下旋。

当然,每一个好的理论预测都必须经过实验验证,在当地酒吧随意扔破垫在科学上是不严谨的。用手投掷,倾斜的时间似乎是随机的,但模型预测的不是这样。所以Ostmeyer和他的团队用两台电动跑步机搭建了他们自己的简易啤酒垫发射器。发射装置使研究人员能够控制每次发射的水平速度和旋转速率。

研究人员将发射器放在桌子上,然后在跑步机之间放置啤酒垫,并以各种速度发射垫子,标记在地板上的地方。飞行轨迹被高速摄像机记录,该团队使用称为跟踪器的程序,以沿其轨迹的任何点提取啤酒垫的坐标。研究人员随后分析的结果表明,与理论预测非常好。

Ostmeyer.他的理论模型也可以用来预测其他类型的飞碟的飞行轨迹。例如,他们的模型预测CD会在0.8秒后翻转,而更大更重的铁饼会在16秒后翻转。一张飞行的扑克牌的轨迹最短,只需要0.24秒就会翻转。作者在脚注中写道:“即使是世界纪录保持者小里克·史密斯(Rick Smith Jr.)——他的牌被扔得最远,或者是扑克牌机关枪——也无法避免自己的牌在不到一秒的时间里飞出一个弧线,最后下旋。”

该模型对FRISBEE的预测 - 不考虑由于其曲率导致的任何空气动力学 - 令人惊讶的0.8秒。“当然,飞盘的机翼形式允许它在专业抛出时保持稳定,”他们写道。“原因是飞盘的空气动力学中心非常接近他们的质量中心,因此经历了更少的扭矩。”

我们向Ostmeyer和他的同事们向Ostmeyer和他的同事们养了一杯,这是纯粹的科学好奇心的娱乐和信息。“我们对啤酒垫的大家致以诚挚的道歉,”作者在他们的致谢中注意到,“通过不准确的目标是或者由于我们煽动其他人进行愚蠢的实验。“

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渠道ARS Technica