Koło antygrawitacyjne?

Aug 15 2020

Więc po prostu oglądałem kilka filmów na YouTube na kołowrotku, który zdawał się „przeczyć” grawitacji. Twórca nakręcił na nim dwa filmy, pierwszy pokazujący koło, a drugi z próbą wyjaśnienia. Oto nazwy filmów:

"Koło antygrawitacyjne?" przez Veritasium

„Anti-Gravity Wheel Explained” autorstwa Veritasium

Szczególnie niepokoi mnie drugi film. Wygląda na to, że może podnieść koło nad głowę, gdy się kręci i przetwarza z łatwością, ale kiedy nie obraca się ani nie wykonuje precesji, z trudem podnosi ciężar nad głowę. Wyjaśnia to jako jakimś cudem koło „podnosi się”, gdy zmusza je do precesji szybciej niż jest to naturalna. Ale tak naprawdę nie rozumiem tego wyjaśnienia. Wydaje mi się, że narusza to drugie prawo Newtona, które mówi, że całkowita siła zewnętrzna działająca na układ (w tym przypadku koło) jest równa sumie masy pomnożonej przez przyspieszenie środka masy. Teraz środek ciężkości koła wyraźnie podnosi się, co oznacza, że musi je podnieść siła zewnętrzna. Dlatego koło nie może unieść się „samo”, ponieważ nie jest to siła zewnętrzna, tylko siły wewnętrzne.

Myślałem, że to zjawisko nastąpiło z powodu siły Magnusa (zewnętrznej siły). To by również wyjaśniało, dlaczego jego całkowita waga nie zmieniła się zbytnio, gdy koło zostało podniesione. Ale najwyraźniej nie jest to wyjaśnienie podane w filmie. Więc jakie jest właściwe wyjaśnienie tego zjawiska?

Odpowiedzi

1 Cleonis Aug 15 2020 at 16:55

Zgadzam się, że próba wyjaśnienia oferowana przez Veritasium (Derek Muller) jest nieprzekonująca.

Teraz nie jest łatwo wykonać ruch podnoszenia nie kręcącego się koła tak samo, jak podnoszenie obracającego się koła. W przypadku kołowrotka prędkość precesji jest dana, która dyktuje rytm wyciągu. Derek trzyma stopy na ziemi, nie porusza swoim ciałem, aby dopasować orientację sztangi, więc ciężar przenosi się na grupę mięśni jego barku, gdy przechodzi przez wycisk.

Rzeczywiście, siła wymagana do podniesienia obracającego się koła musi być taka sama, jak siła wymagana do podniesienia nieobrotowego koła.

(Eksperymentalna weryfikacja tego jest raczej trudna. Widziałem film przedstawiający kogoś, kto stworzył konfigurację na stole z normalnym żyroskopem. Jego odczyt pomiaru przesunął się nieco w górę iw dół, musiał uśrednić. Derek próbuje tego z tym gigantycznym kołem , ale konfiguracja, której używa, nie jest wystarczająco stabilna).

W każdym razie, moje najlepsze przypuszczenie jest takie, że podnosząc kołowrotek, ramię Dereka porusza się względem jego ciała, przenosząc obciążenie z mięśni na mięśnie, podczas gdy w drugim podnoszeniu po prostu zabija jeden konkretny mięsień. Naprawdę powinien był spróbować odtworzyć ten przepływ ruchu za pomocą sztangi do podnoszenia jedną ręką.

Właśnie spróbowałem tego ze sztangą do podnoszenia jedną ręką. Podnosząc prawą ręką utrzymałem sztangę zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Podnoszenie sztangi było w ten sposób wykonalne. Następnie spróbowałem podnieść rękę pod stałym kątem do ciała. To było znacznie trudniejsze. Moje najlepsze przypuszczenie: przy różnych poziomych kątach ciała ramię ma inny pionowy kąt optymalnej dźwigni. Prawdopodobnie zależy to od umiejscowienia przyczepów mięśniowych. Najwyraźniej tak się składa, że obrót przebiega ścieżką, w której na całej długości windy masz dobrą dźwignię. I odwrotnie, jeśli spróbujesz podnieść rękę pod stałym kątem poziomym do ciała, nieuchronnie uderzysz w kąt pionowy ze słabą dźwignią.

Dodatkowe uwagi (3 godziny po wstępnym złożeniu tej odpowiedzi):
Derek Muller wspomina: jeśli masz koło żyroskopowe z osią obrotu w płaszczyźnie poziomej (stąd moment obrotowy z grawitacji), to kiedy naciskasz, aby nadać kołu nadwyżka ponad naturalny ruch poprzedzający, koło będzie się wspinać. (I odwrotnie, gdy naciskasz wbrew naturalnemu ruchowi poprzedzającemu, koło opadnie.) Derek oferuje to jako możliwe wyjaśnienie, dlaczego wydaje się, że podwinięcie jest mniej trudne, ponieważ podnoszenie obracającego się koła jest mniej trudne.

To sugerowane wyjaśnienie nie działa. Powód: w chwili, gdy przestajesz naciskać, dzieje się tak: współczynnik precesji koła wraca do naturalnego współczynnika precesji. Poza tym, gdyby Derek w ogóle nie naciskał, gdyby po prostu ostrożnie puścił, koło samoistnie przejdzie do naturalnego tempa precesji.

Podsumowując: pchające ramię Dereka może trochę wspomagać ramię podnoszące, ale ta pomoc ustaje, gdy pchające ramię zostaje zwolnione. W tym momencie koło nadal znajduje się poniżej poziomu łokci Dereka.

Nawiasem mówiąc, ten błąd nie występuje sam. Jest jeszcze jeden film Dereka o precesji żyroskopowej z błędem.

Film o precesji żyroskopowej 2:47 w filmie

co się stanie, jeśli puszczę dopiero po tym, jak już dobrze przekręciłem koło roweru, w takim przypadku koło rowerowe już miałoby moment pędu w ten sposób, więc moment obrotowy pchający w ten sposób faktycznie zmienia ten pęd w tę stronę

(Aby uniknąć nieporozumień: Derek nie jest jedynym, który wysuwa to twierdzenie; roszczenie nie pochodzi od niego.)

Sugeruje się, że moment obrotowy pochodzący z grawitacji jest przekierowywany , powodując precesję zamiast przyspieszenia w dół. Problem polega na tym, że gdyby tak było, to precesja przyspieszyłaby; trwała siła powoduje przyspieszenie. Ale jak wiemy: biorąc pod uwagę określoną prędkość wirowania koła i określony moment obrotowy, istnieje odpowiednia stała szybkość precesji. A więc: sugestia, że moment obrotowy pochodzący z grawitacji jest przekierowywany, narusza prawa ruchu.