凱爾特石頭(反轉魔石)





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你說什麼!?角動量守恆定律被打破了?

這個超經典的科學玩具,當你以順時針方向旋轉它,它轉一轉便不可思議的自己停下來改為逆時針旋轉。

這不合邏輯嘛!

店長不由得在聚光燈底下跪下,賽先生啊~我物理不就是白學了嗎?



事實上沒錯,店長物理果真都還給老師了,

角動量守恆定律並沒有被打破,反而是因為許多有趣的物理現象加總起來,造成了反轉的效果噢!



(圖片(右)來源 Texas大學物理系)

這款可是說經典有夠經典的物理科學玩具,

歷史可以追朔到遠在19 世紀時,考古學家在研究古凱爾特遺跡時,發現了這個會自己迴轉的神祕陀螺。

從1890 年代的第一份研究論文發表後,科學家們被這奇異的物品深深迷住,光在80年代後就發表了多過 28 份研究報告。

至今還是許多老師愛用的科普教材!

它有很多名字如 凱爾特石頭(Celtic stone)、反轉魔石(Rattleback)、anagyre、celt、Celtic stone、rebellious celt、rattlerock、spin bar、Robinson Reverser、wobble stone.....喂喂也太多了吧!

當你順時鐘轉它,凱爾特石頭就是要逆時鐘轉回來,屢試不爽,實在是很叛逆!

究竟這個漂亮透著光的彩色塑膠凱爾特石頭,反轉的秘密是什麼呢?



凱爾特石頭在旋轉時,基本上的過程是:旋轉(順時針)→上下振動→停止旋轉→旋轉(逆時針)。

從能量的角度而言;旋轉的動能先轉換為振動的動能,振動的動 能再轉換為反轉的旋轉動能。而所以會由旋轉變成振動,主要是由於凱爾特石頭的結構並非完全對稱,尤其在「滾動軸(Rolling axe)」以及「俯仰軸(Pitching axe)」為座標(如下圖左),其座標原點(中心點)不是重心的位置,亦即質量的分佈不是完全均勻,如果質量分佈均勻,才可能穩定的旋轉。

因此一開始旋轉後,凱爾特石頭處於不穩定狀態,滾動運動與俯仰運動的不穩定性開始連結,造成俯仰軸的上下振動的現象,於是轉動能量被轉換為振動能量,旋轉因而會慢下來(當然也包括摩擦力的影響)。

沿俯仰軸的上下振動發生時,地面的摩擦力成為反轉的主要因素。如下圖右,摩擦力F可以分解為平行與垂直兩種分力, 平行橢圓長軸(F2)的分力減緩了振動的幅度,而垂直長軸的分力(F1)是讓凱爾特石頭形成逆轉現象的原因。



(資料與圖片來源 台中教育大學)



(圖片來源 SED695b)

店長起初還以為這是新的刮痧棒呢,想不到竟然隱藏了這麼有趣的現象!!





共有紅綠藍橘4色可以選擇~可以將您想要的顏色寫在備註欄裡,若無填寫賽先生將隨機出貨

不做科學玩具使用時,買兩個據說還可以做擲筊使用太實用了



按它一下,凱爾特石頭也會表現出逆時鐘旋轉的現象毆!現在你知道為什麼了嗎?