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磁悬浮列车差点就没了!是谁拯救了曾被否决的磁悬浮技术?
2020-03-13           作者: 综合

  想必大家都见过或者玩过磁悬浮地球仪、磁悬浮陀螺吧。借助磁场,陀螺或地球仪可以悬在空中并自如地旋转。

  但你知道吗?这种磁悬浮技术曾一度被人们全盘否定!这是怎么回事,又是谁让磁悬浮“重见天日”?来和小编一起看看吧~

磁悬浮列车差点就没了!是谁拯救了曾被否决的磁悬浮技术?

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  不可能实现的悬浮?

  大家小时候一定玩过家里的磁铁吧。无论磁铁是大是小,形状如何,总会有两个磁极,并且同种磁极相互排斥,异种磁极相互吸引。

  那你有没有尝试过把同种磁极上下相对,借助斥力让上方的磁铁悬浮起来呢?

  小编小时候就曾经无数次地尝试过,但无一例外,每次都以失败告终。无论如何小心翼翼地摆放,上方的磁铁不是被磁力推开,就是翻转180度,使同种磁极吸在一起。

磁悬浮列车差点就没了!是谁拯救了曾被否决的磁悬浮技术?

  你可不要以为是小编手脚太笨,早在1842年,数学家塞缪尔·恩绍就证明了单一稳定磁场是无法维持一个稳定力学结构的。

  用通俗的话讲,就是只用一组磁铁是无法造出稳定磁悬浮结构的,上方悬浮的磁铁会在瞬间倾覆下来。

  为什么会有这样的情况发生呢?

  其实原因很简单,假设有一个光滑的半圆形“山峰”,现在我们要在山顶上放一个小球,并保证它一直立在山顶不滚下来。

  理论上,这个任务是可以完成的,只要保证小球被一点不偏地放在半圆形山的最顶峰即可,此时小球受到的重力与支持力平衡。

  然而事实上,没有人能完成这个任务,它难就难在了“一点不偏”上。现实中,无论多么小心谨慎的人,或是多么精准的机器都不能做到分毫不差,哪怕仅仅把小球放歪了一根发丝的距离,都会使小球滚落。

  在生活中,有太多这样的例子,比如理论上,静止的自行车是可以不靠任何支撑立在地面上的,只要保证车子完全竖直即可,但我们都知道这是不可能实现的。

  今天我们讲的磁悬浮也属于这类问题,从表面上看,两磁铁之间的斥力可以与磁铁自身重力抵消,达到平衡,但这种平衡是不稳定的,任何风吹草动都会让它倾覆。

  除非你能保证每次放置时,两块磁铁都完全对齐,并保持水平,且周围不能有一丝微风。

  2

  “外行”也有新创造

  讲到这里可能有些小伙伴会问:既然这种悬浮方式不可能实现,那磁悬浮地球仪又是怎么回事呢?

  大家还记得我们之前提到自行车的例子吗?静止的自行车固然无法自己立在地面上,但是骑起来的自行车却十分稳定,甚至还有研究者发现,只要自行车在前行,即便车上没有人,也能保持很长时间的稳定。

  聪明的小伙伴想必已经有了主意——如果磁铁不停地运动起来,会不会也像自行车那样能保持稳定呢?

  20年前,在一个普通的美国小镇上有一位名叫Roy Harrigan的发明怪人,也想到了这一点。

  值得一提的是,他的高中知识是自学的,没有受过专业的物理训练,可以说在物理领域完全是个“外行”。

  正是这位“外行”通过反复的实验终于成功地利用同种磁极相互排斥的原理把一个高速旋转的磁铁悬浮了起来,第一个“磁悬浮小陀螺玩具”也随之诞生。

磁悬浮列车差点就没了!是谁拯救了曾被否决的磁悬浮技术?

  讲到这儿,小伙伴们想必已经看出了门道,陀螺和地球仪之所以可以在磁场下悬浮,正是因为陀螺和地球仪不再是静止的,而是一直在不停地旋转。旋转使得物体具有了稳定性。

  此外,人们还发现,除了让被悬浮的物体动起来外,也可以让磁场“运动”起来。当我们把普通的静磁场替换成不断发生变化的交变磁场时,上方的磁铁也能稳定地悬浮起来。

  更奇特的是,如果把磁铁放在交变的磁场上,磁铁先会剧烈的抖动,然后渐渐稳定地悬浮在磁场上空并开始旋转。稳定后陀螺旋转的频率几乎与磁场变化的频率相同,这种现象被称为锁频。

磁悬浮列车差点就没了!是谁拯救了曾被否决的磁悬浮技术?

  一般变化的磁场由线圈产生,需要通入交变电流,这也是为什么磁悬浮地球仪大多在通电时才能正常使用,断电时很难保持稳定。

  3

  变化中的稳定

  讲了这么多,小伙伴们一定会疑惑,为什么旋转的物体会更加稳定呢?变化的磁场与静止的磁场有什么不同?

  首先我们要提到进动的概念。

  静止的磁铁在磁场中,一旦稍有歪斜,重力就无法与磁场的斥力平衡,在外力的作用下倾覆。

  而磁铁一旦像陀螺一样高速旋转起来,即便稍有歪斜,重力与磁场的斥力不平衡,它也不会瞬间倾覆,而是歪着头一边旋转,一边绕着圈,不停改变原来转轴的方向,这种特殊的运动被物理学家称为进动。

  这是因为物体将要如何运动不仅取决于受力的情况,还与物体的初始运动状态有关。

  之前的小磁铁是静止的,因此在不平衡的重力和斥力作用下它很难支撑住,就会倾倒;而现在小磁铁在不停地旋转,初始状态与之前完全不同,因此重力和斥力对它的作用效果自然也不相同。

  在受力情况一样的条件下,初始状态不同会使未来演化情况不同的现象被数学家称为微分方程的初值问题,十八世纪的数学家、物理学家、天文学家拉普拉斯就对初值问题颇有研究。

  以上解释了为什么高速旋转的物体能实现稳定的磁悬浮。不过,还有一个问题没有被解决,为什么不断变化的磁场也能实现稳定的悬浮呢?

  小磁铁无法靠静止的磁场悬浮是因为磁场是有方向的,永远从N极指向S极。上方靠斥力短暂悬浮的小磁铁只要稍有倾斜,就会顺着磁场的方向翻转,上下两磁体异种磁极相对,斥力转变为吸引力,在一瞬间紧紧地吸在一起。

磁悬浮列车差点就没了!是谁拯救了曾被否决的磁悬浮技术?

  那么如果磁场的方向不断发生变化会发生什么呢?

  由于磁场的方向不断发生变化,因此它不再具有明确的方向,变得更加对称。

  当上方小磁铁稍微倾斜时,可能同样会在磁场吸引下有翻转趋势,然而在下一个瞬间,磁场方向改变,是小磁铁翻转的吸引力瞬间变成斥力,把即将倾覆的小磁铁又推了回去,使其维持在悬浮的状态。

  小磁体就这样被不断改变方向的磁场推来推去,此起彼伏,最终它会随着磁场同步地摆来摆去或是不停旋转,并相对稳定地悬浮着,这在物理学上称为受迫振动,也就是我们之前说的锁频。

磁悬浮列车差点就没了!是谁拯救了曾被否决的磁悬浮技术?

  像这样变化中的稳定在工业和科研领域中十分常见,对于任何不稳定的系统我们都可以用这个方法实现相对精准的控制。

磁悬浮列车差点就没了!是谁拯救了曾被否决的磁悬浮技术?

  一种磁悬浮地球仪原理图

  读到这里,屏幕前的你有没有什么新点子、新发现呢?仔细观察自己周围,你能发现用这个原理维持稳定的更多例子吗?

  来源:数字北京科学中心

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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