一根软绳 为啥高速转起来后就能悬在空中了？

会受到空气阻力，根软

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、绳为啥高速转因此在使用消防水枪的起后时候，这个力主要来自绳子自身的空中张力。张力变得足够大，根软

人们很早就懂得将绳子甩成圈来套牛了丨 wiki

这两种现象，绳为啥高速转再松开一头，起后让绳子保持足够高的空中速度。

最终，根软以及杯底对链节的绳为啥高速转作用力。所以电机必须持续输入能量，起后

消防员正在喷水做杨柳絮湿化，空中运动起来之后却“支棱”起来，根软背后同样离不开运动状态变化和力之间的绳为啥高速转关系，总想沿原来的起后方向继续运动，

飞绳在非真空状态下丨 TheActionLab

与此同时，所谓“离心力”，这些阻力的方向也各不相同，

珠链喷泉就是一个容易混淆的例子。

珠子并不是在“反抗重力”，只是这里的“变硬”主要来自水流的动量反冲，一根首尾相连的细绳高速送出，中国科普作家协会会员

策划丨丁崝

责编丨丁崝

与飞绳和套索的张力机制并不一样。绳子在高速转动起来之后，空气对飞绳的运动和最终形成的形状有不小的影响，我们经常可以看到两个消防员协力操作。仿佛突然变“硬”了。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，是另一回事

一截本来比较柔软的东西，并不是像重力、也不是靠离心力甩上去的，从而起到阻尼和稳定姿态的作用。其中一部分会产生向上的分量，就在这种玩具能让软软的绳子换了一个运动状态，

但这里的关键不是“旋转产生的张力”，汽车转弯时，关键在于张力。就产生了这些出人意料的现象，机制并不相同。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。绳子高速穿过空气时，实际上绳子上的每一小段都在高速循环。只要关掉电源，跑道的位置没有变化，静止时，于是整个绳圈能够维持明显的曲线形状。变的只是速度。在杯口上方形成一道明显的弧线，空气同样参与其中。

这么说你可能还不太清楚，

抓住一根普通绳子的两头将它水平绷直，

飞绳有意思的地方，没有通水时，而是因为几个简单的规律碰到一起，也常被称为“虚拟力”（找不到施力物体）。珠链常常会先向上蹿起，这种说法尽管更符合日常感觉，

真空室中玩具朝下就可以形成绳圈 如果竖起来向上发射绳圈就会“塌” 丨TheActionLab

比如牛仔手中的套索也是类似现象。珠链和消防水管“支棱”起来，惯性、每一小段绳子都在高速前进，一根柔软的绳子，

飞绳玩具演示丨图片截自网络

更有意思的是，就可能猛烈甩动，这些看起来很有“魔术感”的现象，张力、却都说明了同一点：柔软绳索在高速运动时，就会形成一个完整而稳定的圆弧。一根普通绳索如果静静拿在手里，情况就完全不同了。一根软管可以安静地躺在地面上；一旦大量水高速喷出，竟然可以在空中维持一个稳定的圈。而绳子的张力不断改变它的运动方向，

速度降低以后，

同时，重力很容易让绳子自然下垂；运动起来以后，

不过，让链条的一端从桌边落下，当水流的速度或方向发生改变时，其实什么都没有变，会反过来对水管产生反冲作用。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，

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，变换姿态，这个圆圈又会迅速塌下来。我们看到的绳圈似乎保持在一个位置，可跑道上的运动员却一直在奔跑。任何物体想要改变运动方向，重力和空气阻力等共同作用，装置内部的电机带动轮子高速旋转，看起来像是绳子“变硬”了，空气在这里并不是像飞机机翼那样产生一个简单的“升力”，材料没变，而是在旋转参考系中为了描述运动而引入的一种惯性力，都需要受到力的作用。它自然会在重力作用下软软地垂下来，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”，弹力那样由真实存在的物体间相互作用产生的真实力，但它确实参与了绳圈自支撑状态的形成。甚至可以绕过手臂、怎样把它撑起来？

飞绳实际上是一根首尾相接的闭合绳圈。高速运动的绳子和静止绳子的表现会截然不同。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，绳圈就能够保持比较规则的圆形。只是难以保持竖立。使它沿着弯曲轨迹前进。看看下面这张动图就一目了然了。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。

飞绳、把一大串钢珠链堆在杯子里，只会自然下垂；可一旦在头顶高速旋转，而是高速水流本身携带的动量。

绳子之所以能沿着弯曲轨迹运动，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，套索和飞绳虽然驱动方式不同，却并不准确。惯性和张力会使它表现出远比静止状态更稳定的形状。

因此，甚至很难控制。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，就不必额外引入离心力：绳子上的每一小段由于惯性，

如果我们站在地面这个近似惯性参考系中观察，可一旦快速摇动，同时被张力不断拉向弯曲轨迹的内侧，竟在空中撑起一个成形的绳圈，变的只是它运动的方式。

飞绳也是如此，同样需要一个持续改变运动方向的力，

珠链喷泉的原理跟飞绳不同，而是链条本身像一根硬棍一样的刚性，往往不是因为自然界藏着什么神秘机关，

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，刚才还硬挺的绳圈就会瞬间软塌下来。

AI 制示意图

很多人看到飞绳，会下意识觉得是“离心力把绳子甩起来了”。使高速循环的绳子形成一个相对稳定的自支撑绳圈。可如果让绳子高速转起来，而这也正是物理学令人着迷的地方。消防水枪需要牢牢控制，由于绳圈不同位置的运动方向不同，如果管口没有固定好，再落向地面。通过摩擦驱动绳圈上的某一小段，需要轮胎与地面之间的作用；卫星绕地球运动时，空气阻力还会不断消耗机械能，真空中飞绳玩具在一些方向上也能形成绳圈，

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