頻閃遊戲

生活科學趣談

實驗器材:黑色油性簽字筆、4號乾電池、小刀

實驗步驟:
1. 以小刀將4號乾電池的外覆包膜撥除,露出銀白色的鋅殼。
2. 以簽字筆在乾電池側面接近底部塗上一個大黑點。
3. 讓乾電池平躺在光滑的磁磚地板或玻璃上,以擰擠的方式(類似讓乒乓球能自動滾回的擠法)擠壓塗黑的那一端,乾電池就會被噴射出去而在地板上開始旋轉起來。
4. 觀察乾電池的旋轉過程中,其在停止前會在旋轉盤面上顯現出4個黑點。
5. 接下來更用力擠壓,即可見盤面上顯現出7、8個黑點→4個黑點→停止。這是一種頻閃現象,但並非是由日光燈的閃爍所造成,因為這種現象在手電筒照射下(或陽光下)仍能發生。
6. 一個有趣的對照是「擠壓另一側接近正極而未塗黑的部位時,在電池旋轉的過程中,黑點卻是消失不見」。

據我所知,這個實驗最早是2009年由 Thomasjsenior 發表在 YouTube 頻道上

後來在2012年由一位 YouTuber:Derek Muller 將此遊戲發揚光大,他的玩法是鋸一段PVC管,然後在側邊兩端分別劃上O、X,「擠壓O只能看見O而X消失,擠壓X只能看見X而O消失」

若從玻璃下方觀察時,效果剛好相反,「擠壓O只能看見X,擠壓X只能看見O」

至於為何只能看見其中的一種圖案,Derek Muller 則給了以下的解釋

當 Derek Muller 擠壓X這一端時,由於PVC在此端接觸桌面處類似乒乓球的運動模式,是屬於滑動狀態,而另一端O接觸桌面處是屬於滾動狀態,因為滾動屬於靜摩擦(接觸點對地靜止),由於滑動摩擦係數小於滾動摩擦係數(ABS的防滑概念),因此 O這一端就會黏在桌面作純滾動。這就如同騎腳踏車的例子,若車前進速率為v,則輪胎上緣對地速率為 v+v=2v,因此O這個記號來到頂端時,由於其對地速率2v很高因而無法被人眼察覺。在轉動一段時間後,PVC的質心會呈現不移動而管子原地旋轉的狀態,此時X這一端的旋轉(公轉)速率很接近v,當記號X出現在PVC頂端時,其對地速率為 v-v=0,因對地靜止而能夠被人眼清楚觀察到,這就是「擠壓X只能看見X」的原因。

那麼以4號電池來做這個實驗時,為何停止前會看到盤面上出現4個黑點?其實這跟電池的尺寸規格有關,因為4號電池的直徑為10mm,高度接近40mm,因此當一端作純滾動而另一端作滑動時,如果此時質心不動,那麼公轉一圈的圓周長就是40mm乘以圓周率,這個長度恰能讓滾動那一端滾了4圈。於是在電池旋轉一圈的過程中,盤面上就會出現4次的黑點,加上人眼視覺暫留的緣故,就會以為有4個黑點同時出現在盤面上,於是產生類似於連續閃光的頻閃現像。至於更大的力量擠壓時,似乎能同時出現7、8個黑點,則是由於地板光滑還沒達到一端純滾動時的過渡狀態,此時沒有黑點記號的那一端由於還處於滑動的高速轉動狀態(類似汽車燒胎),因而另一端出現黑點的頻率就會較高。