五種好玩的物理現象

朋友拿這個來問我，要我解釋影片中的五種現象。我寫完答覆以後發現洋洋灑灑一大篇，覺得不能浪費，應該要貼出來跟大家分享　XD

關於影片中的五種現象，我的解釋如下：

第一項是靜力平衡加轉動的問題。你直接用手指頂住重心撐起棍子，棍子最後卻還是掉了，主要有兩個原因。第一，一根棍子給你，讓你直接猜重心，九成九都嘛猜不中，棍子掉下去是自然的。如果你用雙手從兩邊慢慢靠攏去找重心，當然比較好找，你隨時可以調整雙手的位置避免棍子掉下去。

第二個原因是幫你拿棍子的朋友通常兩手沒有一樣高，只要你朋友兩手沒有一樣高，就存在一個初始力矩。就算你重心猜得完全精準，你的兩隻手指完美的頂住重心撐起棍子，只要你朋友放手，轉動平衡破壞，棍子還是會掉下來。

那為何當你自己用手托住棍子兩端慢慢靠攏的時候，最後裩子沒有掉下去？當你托住棍子兩端，兩手通常也不會一樣高，但是這時力矩被兩隻手抵銷，呈現現靜力平衡以及轉動平衡，所以棍子穩住了，就跟你朋友兩手拿棍子而棍子穩穩不動一樣。然後，你兩隻手逐漸靠攏尋找重心，過程中依舊保持轉動平衡，直到最後你的兩隻手指頂住重心。

想做實驗的人可以拿一根棍子先把重心找出來，做記號，然找兩張一樣高的桌子或椅子，將棍子架在上面，再用兩隻手指直接去頂重心把棍子撐起來。這種做法的成功率一定會比你叫朋友拿棍子來得高。

第二項手機旋轉純粹是力矩和轉軸的問題。一個手機可以定出三支獨立的轉軸，你可以讓手機一次只繞著一根轉軸轉動，但也可以同時讓它繞著兩根轉軸轉。後者的轉動比較複雜，而且你必須在丟手機的時候同時對兩根轉軸給予力矩。讓手機同時繞著三根轉軸旋轉比較困難，要很刻意去設計丟手機的手勢，隨便一丟是丟不出來的，所以在這裡最多只討論到同時繞著兩根轉軸旋轉。

如果只想對手機的單一轉軸提供力矩，讓它只繞著一根轉軸做比較單純的旋轉，影片中示範的第一種丟法是最簡單的方式。影片中第二種丟法之所以還能夠維持單純轉動，是因為以其手勢來說，如果要對第二根轉軸提供力矩需要比較大的力氣，因為力臂比較長。影片中第三種丟法跟第二種丟法的手勢差不多，但是因為力臂不一樣了，所以很容易同時對兩根轉軸提供力矩，就形成複雜的轉動。

當然，光看文字描述大概不太能體會我在說什麼，你把手機拿起來轉一轉就會很清楚了。

第三項水流彎曲是摩擦起電和靜電感應的問題。塑膠杯摩擦頭髮會有摩擦起電的效應，塑膠杯會帶負電。由中學物理我們知道，這個塑膠杯現在可以吸引小紙片，因為塑膠杯帶電會將紙片中的正負電稍微分離，正電荷會比較靠近塑膠杯，負電荷會比較遠離塑膠杯。

但這支影片駁斥了這種說法。影片中提到把一個物體擺在均勻電場裡雖然會使該物體內部正、負電荷分離，但因為該物體內部的正、負電荷從外部電場所受到的電力是大小相同、方向相反，所以合力為零。也就是說一個電中性物體擺在均勻電場中不會受力。想要讓一個電中性物體受力，必須給予非均勻電場。

水分子因為電荷分布不均勻，所以有極性，在電場中會轉向。但基於上一段的理由，把塑膠杯靠近水流旁邊只會讓水分子轉動，但不會吸引水分子，因為力矩不為零，而合力為零。所以塑膠杯不會讓水流彎曲，也就是說我們不能用塑膠杯吸引小紙片的原理，解釋塑膠杯讓水流彎曲的現象。

這支影片在此順便婊了一下化學教科書，他說一般化學教科書會利用帶電物體靠近水流、導致水流彎曲的現象解釋水分子的極性，但影片作者認為這個講法是錯的。

嚴格來講，這支影片在這裡的講法也不完全對。首先，塑膠杯提供的電場是不均勻的，因此對水流是有吸引力的，問題只是說這個吸引力是不是大到可以讓水流彎曲。顯然影片作者認為塑膠杯的電場梯度不夠大，所以不會彎曲水流。但除非有更精密的實驗或者計算，否則這個梯度夠不夠大的問題是沒有結論的。

總之，作者就是希望有另一種說法來解釋水流彎曲，對此，我的解釋是感應起電。當塑膠杯靠近水流時，水中的正電荷會被吸引靠近塑膠杯，而負電荷則會遠離塑膠杯。因為水是好的導體，所以電荷不會像在絕緣體中被綁死，而是可以自由移動。所以，被塑膠杯排斥的負電荷會隨著水流沖走，而正電荷會停在塑膠杯旁邊。這導致塑膠杯附近的水體不再是電中性，因此可以被塑膠杯吸引，而水流會彎曲。

第四項磁性麥片。由水的反磁性可知強力磁鐵靠近水面時會排開水體，造成一個微細的凹洞。因為反磁性一般非常微弱，所以肉眼難以查覺凹洞。先將磁鐵靠近麥片，讓麥片陷入凹洞，再慢慢移動磁鐵，牽引凹洞，於是麥片也跟著移動。但這一切看起就像是磁鐵牽引著麥片，彷彿麥片磁化了。

第五項茶包火箭，這是熱對流的結果。關鍵在於影片作者將茶包立成長筒狀，並且由上點燃。如此，上面已經燃燒的部分會引發熱對流，而下面未燃燒的部分則約莫按兵不動，所以下面未燃燒的茶包不會浮動。隨著火勢往下延燒，熱對流的強度也逐漸增強，並且往下擴展，最後火勢抵達底部時，熱對流的氣流便把快要燒完的茶包往上帶，彷若自體飄浮。

茶包的長筒結構類似煙囪。煙囪裡的熱空氣往上竄出，冷空氣由下面補入，整個煙囪裡的氣流是由下往上走。不過因為長筒茶包的底部沒有開口，所以熱對流無法貫穿整個長筒茶包，直到火勢燒到最下面，氣流才將茶包餘燼帶起。