Физика игрушки-веревки: как скорость превращает мягкую нить в жесткое кольцо

抓住一根普通绳子的两头将它水平绷直，再松开一头，它自然会在重力作用下软软地垂下来，可如果让绳子高速转起来，情况就完全不同了。 网上很流行的一种飞绳玩具就是如此——按下飞绳装置的开关，一根首尾相连的细绳高速送出，竟在空中撑起一个成形的绳圈，甚至可以绕过手臂、变换姿态，仿佛突然变“硬”了。 这么说你可能还不太清楚，看看下面这张动图就一目了然了。 飞绳玩具演示丨图片截自网络 更有意思的是，只要关掉电源，刚才还硬挺的绳圈就会瞬间软塌下来。材料没变，变的只是速度。一根柔软的绳子，为什么高速转起来就变“硬”了呢？ 网上火爆的飞绳玩具丨图片截自网络 看不见的力，怎样把它撑起来？ 飞绳实际上是一根首尾相接的闭合绳圈。装置内部的电机带动轮子高速旋转，通过摩擦驱动绳圈上的某一小段，从而带动整根闭合绳子像环形跑道上的运动员一样高速循环：从远处看，跑道的位置没有变化，可跑道上的运动员却一直在奔跑。 飞绳也是如此，我们看到的绳圈似乎保持在一个位置，实际上绳子上的每一小段都在高速循环。 绳子之所以能沿着弯曲轨迹运动，关键在于张力。任何物体想要改变运动方向，都需要受到力的作用。汽车转弯时，需要轮胎与地面之间的作用；卫星绕地球运动时，需要引力不断改变运动方向；而高速运动的绳子想要不断“拐弯”，同样需要一个持续改变运动方向的力，这个力主要来自绳子自身的张力。 因此，高速运动的绳子和静止绳子的表现会截然不同。静止时，重力很容易让绳子自然下垂；运动起来以后，每一小段绳子都在高速前进，同时被张力不断拉向弯曲轨迹的内侧，于是整个绳圈能够维持明显的曲线形状。 我们平时跳绳时其实已经见过类似现象：绳子放在地上时软绵绵的，可一旦快速摇动，就会形成一个完整而稳定的圆弧。 很多人看到飞绳，会下意识觉得是“离心力把绳子甩起来了”。 不过，这种说法尽管更符合日常感觉，却并不准确。所谓“离心力”，并不是像重力、弹力那样由真实存在的物体间相互作用产生的真实力，而是在旋转参考系中为了描述运动而引入的一种惯性力，也常被称为“虚拟力”（找不到施力物体）。 如果我们站在地面这个近似惯性参考系中观察，就不必额外引入离心力：绳子上的每一小段由于惯性，总想沿原来的方向继续运动，而绳子的张力不断改变它的运动方向，使它沿着弯曲轨迹前进。 飞绳在非真空状态下丨 TheActionLab 与此同时，空气同样参与其中。绳子高速穿过空气时，会受到空气阻力，由于绳圈不同位置的运动方向不同，这些阻力的方向也各不相同，其中一部分会产生向上的分量，从而起到阻尼和稳定姿态的作用。空气在这里并不是像飞机机翼那样产生一个简单的“升力”，但它确实参与了绳圈自支撑状态的形成。 同时，空气阻力还会不断消耗机械能，所以电机必须持续输入能量，让绳子保持足够高的速度。 最终，张力、惯性、重力和空气阻力等共同作用，使高速循环的绳子形成一个相对稳定的自支撑绳圈。空气对飞绳的运动和最终形成的形状有不小的影响，真空中飞绳玩具在一些方向上也能形成绳圈，只是难以保持竖立。 比如牛仔手中的套索也是类似现象。一根普通绳索如果静静拿在手里，只会自然下垂；可一旦在头顶高速旋转，绳圈就能够保持比较规则的圆形。 速度降低以后，这个圆圈又会迅速塌下来。套索和飞绳虽然驱动方式不同，却都说明了同一点：柔软绳索在高速运动时，惯性和张力会使它表现出远比静止状态更稳定的形状。 人们很早就懂得将绳子甩成圈来套牛了丨 wiki 这两种现象，是另一回事 一截本来比较柔软的东西，运动起来之后却“支棱”起来，这种类似飞绳玩具的现象在生活中并不罕见。但原理却可能不同。 珠链喷泉就是一个容易混淆的例子。把一大串钢珠链堆在杯子里，让链条的一端从桌边落下，珠链常常会先向上蹿起，在杯口上方形成一道明显的弧线，再落向地面。 但这里的关键不是“旋转产生的张力”，而是链条本身像一根硬棍一样的刚性，以及杯底对链节的作用力。 珠子并不是在“反抗重力”，也不是靠离心力甩上去的，而是链条在下落过程中表现出的一种与静止状态完全不同的力学行为。整条钢珠链的重心其实还是在不断下降的——这和飞绳靠张力维持一个稳定循环的绳圈，机制并不相同。 珠链喷泉的原理跟飞绳不同，非常复杂丨wiki 消防用的高压水龙头的水管则是另一种原理，没有通水时，一根软管可以安静地躺在地面上；一旦大量水高速喷出，如果管口没有固定好，就可能猛烈甩动，甚至很难控制。因此在使用消防水枪的时候，我们经常可以看到两个消防员协力操作。 消防员正在喷水做杨柳絮湿化，以降低火灾隐患丨北京日报 但这背后的主角不是管子的张力，而是高速水流本身携带的动量。当水流的速度或方向发生改变时，会反过来对水管产生反冲作用。消防水枪需要牢牢控制，背后同样离不开运动状态变化和力之间的关系，只是这里的“变硬”主要来自水流的动量反冲，与飞绳和套索的张力机制并不一样。 飞绳有意思的地方，就在这种玩具能让软软的绳子换了一个运动状态，绳子在高速转动起来之后，张力变得足够大，竟然可以在空中维持一个稳定的圈。看起来像是绳子“变硬”了，其实什么都没有变，变的只是它运动的方式。 飞绳、珠链和消防水管“支棱”起来，这些看起来很有“魔术感”的现象，往往不是因为自然界藏着什么神秘机关，而是因为几个简单的规律碰到一起，就产生了这些出人意料的现象，而这也正是物理学令人着迷的地方。 策划制作 作者丨刘玉柱 南京信息工程大学教授 刘季伟 南京信息工程大学物理学（师范）专业 审核丨孙明轩 上海工程技术大学教授、中国科普作家协会会员 策划丨丁崝 责编丨丁崝 “掌”握科技鲜闻 （微信搜索techsina或扫描左侧二维码关注）