http://www.physorg.com/news112357305.html
October 23, 2007
By Lisa Zyga
當登山者投下一條繩索時，它通常會在地面盤繞（coiling）。不只是粗繩，縫紉線也樣，甚至連煮好的義大利麵條都會有相似的狀況。最近，科學家首度針對繩索盤繞的特殊現象，完成受到控制的實驗室實驗，並發現其背後令人訝異的動力學。
研究者 Mehdi Habibi, Neil Ribe, 與 Daniel Bonn，一起代表伊朗 Institute for Advanced Studies in Basic Sciences、巴黎的 Ecole Normale Superieure and the Institut de Physique du Globe 與阿姆斯特丹大學，在最近一期 Physical Review Letters 上發表彈性繩索盤繞的研究結果。
"有了這項研究的結果，我們 -- 最終 -- 將能夠了解這種當繩索盤繞時普遍存在的現象，" Bonn 表示。"理解盤繞相當重要，例如，在食品業界，它們需要在瓶罐中裝入具備黏著性與彈性的物質，例如優格或美乃滋。盤繞也用來製造陶器。"
科學家使用二種實驗性的設置來調查在不同狀態下所發生的盤繞。在第一種設置中，他們將縫紉線纏繞在一個由電動馬達轉動的滾輪上，以固定速率（在實驗中從 0.3 到 200 cm/sec-1）將縫紉線餵進一個洞當中，最後落在其下 2 - 200 公分的平面上。在第二種設置中，他們將一長條義大利麵在水中弄軟，然後使用注射器或桿子，將麵條從一個垂直的玻璃管中向下射出。
透過比較他們的實驗測量與數值模型，該小組開發出一幅相圖（phase diagram）證明不同的掉落高度與速度會發生不同的盤繞方式。依據這些變數，有三種基本的盤繞體系（regime）會發生。
"對最低的掉落高度與速度而言，盤繞的頻率與半徑受到幾何學支配：例如，盤繞頻率只不過跟隨著掉落高度與繩索的速度而改變，" Bonn 解釋。"對中間高度與速度來說，這裡會出現重力與繩索彈性的平衡，是決定盤繞頻率與半徑的唯一因素。對於非常高的速度與高度來說，大部分是繩索的慣性支配其行為，不過繩索的彈性依然很重要：這是慣性體系（inertial regime）"
Habibi, Ribe 與 Bonn 發現慣性體系相當複雜。首先，他們觀察到以相當高速度供給的細線會變得不穩定，而形成「8」字形圖樣，而且從頭到尾都會這樣。
其次，他們發現慣性體系當中的盤繞，在給定的供給速率與掉落高度下，會有不同的頻率發生。其頻率相當於繩索近乎垂直之上端部份的共振，那可以是微弱的「細繩（string）」或硬挺的「箭桿（shaft）」端看供給速度與掉落高度。當這些振盪的天然頻率與基本「慣性體系」頻率（這由地面上繩索盤繞的部份來支配）相符時，振盪會變得活躍。
科學家注意到其他類型的「彈性繩索」盤繞的例子，包括電話纜線在洋底的扭結（kinking），攀緣植物成圈的卷鬚展現出左右手的翻轉（handedness reversal），與 DNA 的超級盤繞。液態繩索的盤繞，如細線般的蜂蜜掉落在土司上時，也都受到最近的關注，並且與彈性繩索的盤繞共享某些相似性。
※ 相關報導：
＊ Coiling of Elastic Ropes
http://link.aps.org/abstract/PRL/v99/e154302
M. Habibi, N. M. Ribe, and Daniel Bonn＊ 闡明古代物理的靜電實驗卻惹出更多問題
Phys. Rev. Lett. 99, 154302 (2007)
doi:10.1103/PhysRevLett.99.154302
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