滚动的瓶子

比萨斜塔实验是科学史上一个非常著名的实验，伽利略通过两个不同重量的铁球证明了物体的下落速度与其重量无关。那么，相同重量的物体以相同的速度下落吗？现在让我们做一个关于滚动摩擦的小实验，也许结果会超出你的预期。拿一块长方形的木板，用几本书把一端抬起固定，另一端平放在桌子上。找到两个质地相同、大小相同、重量相同的圆形玻璃瓶，分别放入同等重量的细沙和清水，盖上瓶盖。为了防止瓶子滚动时水和沙子漏出，可以在瓶口粘上一点蜂蜡。现在把两个瓶子放在板上，在相同的起始高度把它们滚下来。理论上，如果两个瓶子具有相同的重量并在同一块板上向下滑动，两个瓶子的外部摩擦阻力应该是相同的，并且因为两个瓶子同时从相同的高度向下滑动，所以两个瓶子应该同时到达桌面。但事实上，你会发现装满水的瓶子会比装满沙子的瓶子更早到达目的地。为什么会这样？事实上，瓶子在起始位置的能量是势能。当它开始下滑时，势能将转化为动能和摩擦产生的热能。虽然两个瓶子和木板之间的摩擦力是一样的，但是沙子和瓶子内壁之间的摩擦力要比水和瓶子内壁之间的摩擦力大得多，沙子之间也会有摩擦力。这些摩擦产生的热能大于装满水的瓶子内部摩擦产生的热能。根据能量守恒定律，装沙子的瓶子的动能自然较小，所以它的滑动速度比装水的瓶子慢。