¿Por qué la escoba puede mantenerse erguida? ¿Cuál es la razón científica de esto?

A continuación, discutiremos los principios de la mecánica desde la perspectiva de la mecánica.

1. Origen

La tormenta de escobas de anoche se originó a partir de una captura de pantalla de origen desconocido, como se muestra a continuación. En otras palabras, la NASA dijo que este día (2.11) es un día especial debido a la gravedad de la tierra, y es el único día en que la escoba puede mantenerse en pie.

De hecho, cualquiera puede entender de un vistazo que el hecho de que la escoba pueda mantenerse en pie no tiene nada que ver con la gravedad especial de la Tierra mencionada por la NASA. Si entiendes un poco de mecánica, podrás entender que la razón por la que la escoba puede mantenerse erguida radica en la estructura de la propia escoba. La NASA no pudo soportarlo más y salió y dijo: Este es sólo un fenómeno de objeto básico que puede repetirse todos los días.

De hecho, en todo Internet han aparecido una gran cantidad de textos o vídeos analizados. Su explicación es una razón bien conocida: la atención se centra en la superficie de contacto. Sin embargo, esta explicación es demasiado cruda. Después de todo, esta explicación es sólo un resumen de la experiencia de la vida diaria y está lejos de alcanzar el nivel teórico.

2. ¿Gravedad especial?

Como todos sabemos, el movimiento de la Tierra es en realidad un poco complicado, ya que la revolución y la rotación ocurren al mismo tiempo. Entonces, el 11 de febrero, ¿estaba la Tierra en una posición especial, lo que provocó que la gravedad sobre la Tierra entrara en un estado especial? En primer lugar, excluyendo la influencia de la rotación del 11 de febrero, lo más probable es que se trate de la influencia gravitacional de la revolución terrestre.

Aquí debemos dar la fórmula de la gravedad de la siguiente manera. g es la constante gravitacional, mym son las masas de los dos objetos y r es la distancia entre ellos. Esta expresión nos dice que la gravedad sólo está relacionada con la MMR porque G es una constante.

Para los objetos en la Tierra, como los palos de escoba, su masa es constante. Por lo tanto, los factores que influyen son my R. La masa de la Tierra misma permanece sin cambios y la única influencia posible es la atracción gravitacional de otros cuerpos celestes, como el Sol y la Luna. Si bien una escoba pesa menos de 1 kg, la distancia de una escoba al sol o la luna es de 170.000 kilómetros, por lo que su impacto es insignificante. En pocas palabras, la gravedad de los objetos en la Tierra está dominada por la propia Tierra. En realidad, esto descarta el impacto de la revolución sobre la gravedad.

Además, la Tierra es en realidad un cuerpo irregular, y el radio r de cada punto de la Tierra es en realidad diferente. Por tanto, según la fórmula de la gravitación universal, el valor gravitacional de un mismo objeto en cada punto será diferente. El radio medio de la Tierra es de 6.371 kilómetros y la fluctuación de la superficie tiene poco efecto sobre el valor final de la gravedad. Llegados a este punto, podemos juzgar que la gravedad de la Tierra el 11 de febrero no fue nada especial.

3. Equilibrio y estabilidad

Dado que la gravedad de la Tierra no es nada especial, eso significa que puedes instalar una escoba en cualquier momento. Entonces, no puedo evitar preguntar, ¿cómo se sostiene la escoba? Antes de analizar esta escoba, introduzcamos brevemente los principios mecánicos básicos. La imagen de arriba es la técnica de "equilibrio". Hay un grupo de personas que son muy sensibles al equilibrio y pueden apilar objetos en ángulos extraños. Parece imposible, pero en realidad se ajusta a los principios de la mecánica.

El llamado equilibrio en realidad no es solo que la fuerza resultante de un objeto sea igual a cero, es solo una de las condiciones. El otro momento resultante es igual a cero, que también es una condición que debe cumplirse. Cuando solemos decir que un objeto está equilibrado, sólo decimos que dos fuerzas están equilibradas, lo cual es inexacto.

El saldo se puede dividir en tres situaciones, como se muestra en la figura anterior. Al parecer la primera bola es inestable y caerá. Y la segunda bola es estable y siempre vuelve a su posición original. La tercera bola está equilibrada por todos lados. La técnica de equilibrio y la escoba vertical que se muestran arriba son balanzas inestables.

4. Análisis de la escoba plana

Como han dicho otros, una razón intuitiva por la que la escoba puede mantenerse erguida es que su línea de gravedad pasa a través de la superficie de contacto. Pero esto es sólo un resumen de la experiencia, lejos de ser una teoría mecánica profunda.

Una vez levantada la escoba, la fuerza es la que se muestra en la figura anterior. Es simple, solo gravedad y apoyo terrestre. Bajo la acción de estas dos fuerzas, la fuerza y ​​el momento resultantes de la escoba son cero, por lo que puede mantener un estado de equilibrio.

El color azul en la imagen de arriba es la superficie de contacto entre la escoba y el suelo, y la horquilla del interior es la línea de acción de la gravedad. Sólo cuando la línea de gravedad está ubicada en la superficie de contacto, la fuerza de apoyo del suelo hacia arriba puede formar un par de momentos que se cancelan mutuamente. Si la línea de gravedad está afuera, al momento formado por la fuerza ascendente sobre el suelo le falta otro momento para equilibrarlo.

Este es el principio mecánico que evita que el cepillo funcione mal.

Por eso, el centro de gravedad de la escoba es muy importante. Una escoba consta de una cabeza de escoba y una varilla, de las cuales la cabeza de escoba es más pesada. Entonces, después de levantarse, todo el centro de gravedad está más cerca del cabezal de la escoba. Simplemente cumple con el requisito de que la línea de gravedad pase a través de la superficie de contacto.

Después de entender el principio, analicemos el cabezal de la escoba. Debido a que, después de todo, el cabezal de la escoba es relativamente blando, no puede soportar intuitivamente una escoba vertical. Los cabezales de escoba normales están hechos de plástico con forma de pelusa. Aunque es muy fino, también tiene cierto grado de rigidez, por lo que se puede limpiar con cierta fuerza de raspado. Las fuerzas sobre las cerdas del cabezal de la escoba se muestran arriba. Este pelaje ligeramente agrandado en realidad aumenta ligeramente el área de contacto, lo que es mejor para el equilibrio. Por lo tanto, la escoba se puede levantar fácilmente siempre que las cerdas del cabezal de la escoba se expandan hacia afuera en lugar de hundirse.

5. Resumen

La gravedad de la escoba el 11 de febrero es exactamente la misma que en otras fechas, sin ninguna característica especial.

La razón del equilibrio es que la escoba puede mantenerse en pie (la fuerza y ​​el momento resultantes son cero).

Para lograr una escoba equilibrada, las cerdas del cabezal de la escoba deben estar verticales o extendidas hacia afuera, en lugar de cóncavas.