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小科普——月亮转动与纱线加捻

2013-10-12 11:00:38 来源:

早晨到老校区去交签证材料。很久不来老校区了,一夜秋雨过后的校园,红墙黛瓦,绿树掩映,那些几十年树龄的香樟,在风中伸展它们的枝叶,美到了极致。我忍不住在校园里逛了起来,心里对自己说:这就是底蕴啊!而我们都被赶到了新校区,现在享受这底蕴的,是越来越多的留学生。我惊讶地发现,整个老校区,几乎都被留学生占满了。我曾经住了6年的18层研楼,还有曾经是最大的男生宿舍楼9舍,都变成了留学生公寓。校园中小巧的中心花园,那架30年的紫藤下,一个留学生坐在石凳上发呆;而那个建校就有的小亭子里,一个美国女生很American style地在打着手机。

这是一个有趣的结果,外国人悠闲地享受我们的底蕴,而我们激情澎湃地去拓荒。

言归正传,趁这几天月亮正圆,做一个小科普。

黄秀清同学说,月亮相对地球的运动,有两种结果:

在a中,月亮绕地球公转,同时本身自转,即月亮每公转一圈,也自转一圈,这样无论地球自转不自转,地球上的人都只能看到月亮的半边(红色);而在b中,月亮只是绕地球公转,本身不自转,也就是说,月亮是做平动,不是转动,那么月亮的背面(黑色)在某些时候露出来了。月亮的背面能否被地球上的人看见,只与月亮的公转和自转速度有关,与地球的自转无关。这一点黄秀清同学好像说得不对(嘿嘿,还可以再探讨,我物理很差的,高考不及格,一驳就倒)。其实还有一种case,月亮自转的速度大于它绕地球公转的速度,这样月亮的背面也会被看见。

在纺纱中,为了使一束纤维形成具有一定强力的纤维集合体,我们让这个纤维束绕自身轴线转动,这样纤维与轴线之间有了倾角,也就拥有了向心的压力,有压力就有摩擦力,于是纤维们被摩擦力结合成一根具有较高强力的纤维集合体——纱线(yarn)。而这个使纤维束绕自身轴线转动的过程,就称为加捻(twisting)。

传统的环锭纺纱(ring-spinning)用下面这个简单的小装置来实现加捻。

在这个小装置中,要完成两个任务,一是给纤维束加捻,这必须让纤维束绕自身轴线自转;二是把加捻后的纤维束即纱线卷绕到筒子上,这必须让纱线绕中心轴线公转。也就是说,在spinning的过程中,纱线既要公转,又要自转。

纱线公转比较好理解,它由钢领5(ring)上一个称为钢丝圈4(traveler)的小东西拉动,围绕筒子6公转。下面这张图能看得更清楚一些。

而纱线每公转一圈,也同时绕自身轴线自转一圈,从而给纱线加上捻回。关于这一点,我自己上大学的时候,无论如何都想不明白,最后只能胡乱记住这样的结论毕业了,我以为这辈子不用再去思考这个问题了。日子流水一般地过去,醉生梦死、死里逃生,一个轮回之后,我竟然要去教学生们这个问题。于是我无法再含混过去了,苦苦地想了很久之后,终于明白,其实就是上面月亮自转与公转的道理。

如果我们对上图取截面,就得到类似于黄秀清同学制作的月亮转动图。纱线的截面就是月亮,筒子的截面就是地球。如果纱线在绕筒子公转(卷绕)的过程中只做平动,不做转动,则没有加捻;而如果纱线在卷绕过程中同时自转,就给纱线加上了捻回。纱线每卷绕(公转)一圈,就给自身加上一个捻回。那么,为什么纱线在公转时一定会自转呢?是因为这一段纱条的两端都被hold(握持)了,它无法逃脱自转的命运。这就是最后的答案。

回到月亮,月亮在绕地球公转时,自身为什么一定是转动而不是平动呢?

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