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飞速旋转的圆盘:一个新的世界纪录

 

近日,谢亿民院士团队在研究传统的拉线转纽扣的玩具的过程中,刷新了一项世界纪录!

千百年来,人类总是尝试着探寻速度的极限。风力发电机的转速一般为每分钟几转至十几转,电风扇的转速可以达到每分钟上千转。一个有趣的问题是,人力驱动可以使物体旋转到多快呢?谢亿民院士团队最近发表在国际著名期刊《科技报道》(Scientific Reports)的论文给出了一个令人耳目一新的答案。

大道至简,用于创造这项世界纪录的材料仅仅是一个带孔的铜片与两根细软的尼龙线。这项研究的灵感来源于历史悠久的转纽扣玩具:将两根细线分别穿过圆盘上的两个小孔,使细线相互缠绕,然后手持细线端部有节律地反复拉伸、释放之即可令圆盘不停地往复转动。

研究团队建立了精细的动力学理论模型,全面分析了细绳的弹性性能、圆盘的几何尺寸、加卸载的速率、与空气的摩擦等各个因素对转速的影响。在此基础上,他们选取多种不同的材料开展了系统的实验,对此装置进行优化,并通过高速摄像机实测。经过几个月的不断改进与优化,他们终于将圆盘转速提高至每分钟二十万转,创造了人力驱动圆盘转速新的世界纪录!这一转速远远超过了由美国斯坦福大学学者Prakash等于2017年1月在《自然》子刊上报道的每分钟十二万五千转的前世界纪录。

研究团队进一步用细绳串起多个圆盘。在加载的初期,各个圆盘的运动相对独立、无序。随后,细绳会逐渐将各盘的运动耦合起来。此时,系统可能出现几种特定的稳定状态:圆盘将在细绳的某些特殊的位置上转动,并且它们的旋转被同步化。研究团队揭示了这一现象的物理机制。该多盘系统在机械波控制方面有着重要的应用。

不仅如此,研究团队还基于拉线转盘装置设计出了全新概念的发电系统。永不停息的风与海浪蕴含着巨大的能量。传统的水力发电站利用水流冲击涡轮机叶片将流体的平动转化为涡轮的转动,风力发电亦与此类似;而基于拉线转盘装置设计的发电系统在能量采集方面可能更加高效。这一新的系统有望利用海浪的动能进行发电。

可以预见,这项成果将在能源采集、机械波控制等领域产生重要影响。

该研究课题由谢亿民院士提出与指导,由赵子龙博士、周世伟博士、徐山清博士协同完成,并获得清华大学冯西桥教授的指导。

论文原文链接如下:www.nature.com/articles/s41598-017-13137-1



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