[2924] Pendulum Types

Title Text:The creepy fingers that grow from a vibrating cornstarch-water mix can be modeled as a chain of inverted vertical pendulums (DOI:10.1039/c4sm00265b) and are believed to be the fingers of Maxwell’s Demon trying to push through into our universe.

Origin:https://xkcd.com/2924/

https://www.explainxkcd.com/wiki/index.php/2924:_Pendulum_Types

钟摆类型

从振动的玉米淀粉-水混合物中长出令人毛骨悚然的手指,这些手指可以被建模为一系列倒置的垂直钟摆(DOI:10.1039/c4sm00265b),并且被认为是麦克斯韦妖试图进入我们宇宙的那些手指。

注:麦克斯韦妖,是在物理学中假想的妖,能探测并控制单个分子的运动,于1871年由英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。当时麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制。但他无法清晰地说明这种机制。他只能诙谐地假定一种“妖”,能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。麦克斯韦妖是耗散结构的一个雏形。

https://xkcd.in/comic?lg=cn&id=2924

这个漫画显示并描述了几个摆。前三个是实际的物理模型,而最后一个则是为了荒谬而编造的。这是xkcd漫画的一个重复格式,如2289:场景4所示。

简单摆的运动与动力学。简单摆由一个关节、一个杆和一个重物组成,当释放时(在重力场或其他加速力下),它会以规律的方式摆动。一个摆的“周期”是完成一个周期、来回摆动所需的时间。在简单摆中,周期是一致的、可预测的,主要取决于摆的长度和加速度(几乎独立于质量和弧长度)。这种可预测性使得摆在时间测量等应用中非常有用,最早的精确时钟(如落地钟)就是利用摆作为调节器。

双复摆的典型运动。双摆由两个关节、两个杆和一个重物组成,当释放时,它以混乱的方式摆动。有趣的是,这符合混沌的数学定义,即初始条件的微小变化会导致最终结果的巨大差异。因此,这个摆几乎不可预测,由于其混沌特性,实际应用非常有限。

倒摆由一个简单摆组成,颠倒放置,下面有一些供电装置在垂直方向上振动以保持其向上。如果没有供电,它会掉落,因此被称为“不稳定”部分。漫画似乎描绘了卡皮扎的摆。请参考哈佛自然科学的演示视频或myphysicslab或mathigon的互动模拟。
梦魇摆似乎是一个倒的双摆,里面有一个额外的未倒摆在更大重量内摆动(这个重量上还装饰着古老/神秘的符号)。漫画声称这个摆召唤了麦克斯韦的妖精,玩笑地暗示麦克斯韦的妖精是一个真实的实体。事实上,麦克斯韦的妖精是一个思想实验,在这个实验中,一个生物——妖精——位于两个气体容器之间的一个微小门上。它只让慢速(冷)气体分子朝一个方向通过门,而只让快速(热)气体分子朝另一个方向通过。一个容器逐渐变热,另一个变冷,违反了热力学第二定律。一个真正能够做到这一点的机器将需要至少足够的能量——以信息的形式——以避免任何违反,但这个思想实验自1867年詹姆斯·克拉克·麦克斯韦首次提出后引发了许多讨论。
标题文字明确延续了这个笑话,提到了一篇题为《振动液滴和软材料中的振动悬浮和倒摆:参数共振》的具体论文,并暗示这篇论文将以这种方式产生的“毛骨悚然的手指”与麦克斯韦的妖精联系起来。 这篇论文实际上只建议这种现象与倒摆动力学相关。这为引用的滥用提供了一个幽默的例子。从技术上讲,所引用的参考文献仅支持前面的声明,即玉米淀粉-水混合物(也称为oobleck)的行为可以建模为倒摆。但由于接近性,该参考文献似乎也支持关于麦克斯韦的妖精的部分。这个错觉得到了对玉米淀粉的“毛骨悚然”描述的帮助,这一描述在开头添加时与引用的实际内容之间没有任何可见的分隔。

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