高斯玩具枪：一种磁直线加速器

这个非常简单的玩具利用磁性链式反应，以高速向目标发射钢弹珠。这个玩具制作非常简单，几分钟内就可以组装起来，而且非常容易理解和解释，但是观看和使用都很吸引人。

上面的照片显示了六帧视频显示高斯玩具枪在行动。每帧显示1/30秒。在第一帧中，一个钢球开始向一个绑在木尺上的磁铁滚动。在第二帧中，可以看到第二个球在最右边的两个磁铁之间加速。到了第三帧时，加速器加速太快了，当球撞向目标时，看到的离开设备左侧的球只是一片模糊。一个球在静止状态下开始，导致另一个球以非常高的速度离开设备。

材料很简单。我们需要一把木尺，上面有一个凹槽，钢球可以很容易地滚动。任何有凹槽的木头、铝或黄铜都可以。我们选择尺子是因为它很容易在家里、学校或当地文具店找到。

我们需要一些胶带。再说一次，几乎任何一种都可以。这里我们用的是透明胶带，但乙烯基电工胶带也同样有效。

我们需要四块磁铁。大多数类型的都可以，但是磁铁越强，球的速度就越快。这里我们使用的是钕铁硼。

我们还需要9个钢球，直径与磁铁高度非常接近。我们使用5/8英寸直径的镀镍钢球目录.

我们唯一需要的工具是一把用来修剪胶带的锋利的刀。

我们先把第一块磁铁贴在尺子的2.5英寸处。距离有点随意--我们想把四块磁铁都放在一把尺子上。稍后请随意试验间距。

用锋利的刀把多余的胶带剪掉。小心，因为刀会被磁铁强烈吸引。

你要防止磁铁在一起跳跃。它们是由易碎的烧结材料制成，像陶瓷一样破碎。把尺子暂时贴在桌子上，这样当你把第二块磁铁粘到尺子上时，它不会跳到下一块磁铁上。

继续将磁铁粘在尺子上，在磁铁之间留出2.5英寸。

当四块磁铁都粘在尺子上时，是时候把球装进高斯玩具枪了。

在每个磁铁的右侧，放置两个钢球。在设备的右边安排一个目标，这样球就不会在街上滚来滚去而迷失方向。

要发射高斯玩具枪，在最左边磁铁的凹槽里放一个钢球。把球放了。如果它离磁铁足够近，它就会开始自己滚动，并撞击磁铁。

当高斯玩具枪开火时，它会发生得太快而看不见。右边的球会从枪口射出，并以相当大的力量击中目标。我们的一英尺长的版本是这样设计的，速度不足以伤害人，你可以用你的手或脚作为目标。

它是什么原理？

当你释放第一个球时，它会被第一个磁铁吸引。它以相当大的力撞击磁铁，我们称之为“1单位”的动能。

球的动能被传递到磁铁上，然后传到右边的球上，然后传到接触那个球的球上。这种动能的转移对台球运动员来说很常见——当主球击中另一个球时，主球停止，另一个球加速离开。

第三个球现在以1单位的动能移动。但它正朝着第二块磁铁移动。当第二块磁铁把它拉近时，它会加快速度。当它碰到第二块磁铁时，它的移动速度几乎是第一块球的两倍。

第三个球击中磁铁，第五个球开始以2个单位的动能移动。它在接近第三块磁铁时加速，并以3个单位的动能撞击。这会导致第七个球向最后一个磁铁加速。当它被吸引到最后一块磁铁上时，它的速度达到了4个单位的动能。

动能现在转移到最后一个球上，它以4个单位的速度飞出，击中目标。

从另一个角度看机制

当设备全部安装好并准备好触发时，我们可以看到有四个球正在接触它们的磁铁。这些球处于物理学家所说的“基态”。把它们从磁铁上移开需要能量。

但是每个球都有另一个球碰到它。第二个球不在基态。它们都离磁铁只有5/8英寸。它们比接触磁铁的球更容易移动。

如果我们把一个接触磁铁的球拉离磁铁，直到它离磁铁5/8英寸，我们就会给球增加能量。球会以相当大的力向磁铁方向拉。我们可以把球放回去。

高斯玩具枪开火后，情况就不同了。现在每个球都接触到一块磁铁。每个磁铁的两边各有一个球。每一个球都处于基态，并且已经失去了离磁铁5/8英寸的能量。这些能量已经进入最后一个球，它用它来摧毁目标。

速度和动能

物体的动能定义为质量的一半乘以速度的平方。当每个磁铁拉动一个球时，它会线性地给球增加动能。

但是速度并不是线性的。如果我们有4个磁铁，动能是4，但是速度是动能的平方根。当我们添加更多的磁铁时，速度每增加一次，速度就会变小。但是球滚动的距离，以及它对撞击物造成的损害，是动能的函数，因此也是我们使用多少磁铁的函数。

我们可以继续放大枪，直到动能变得如此之高以至于最后一块磁铁被撞击粉碎。在那之后，添加更多的磁铁不会有多大好处。

为什么设计成圆形轨道不是永动机

如果我们把赛道改成圆形会怎么样。我们能得到自由能源吗？球会永远加速吗？

用一句名言来回答：“世界上有两种人——一种是懂得热力学第二定律的，另一种是不懂的。”

假设你做了一个圆形轨道，在每个磁铁后面放两个球。当最后一个球被释放时，它遇到了一个磁铁，它有两个球处于基态。这个磁铁没有能量。球只是弹回。

现在假设你在每个磁铁后面放了三个球。当最后一个球被释放时，它击中一个离磁铁5/8英寸的球。它没有获得太多的动量，因为大部分动量都是在最后半英寸内，因为磁铁对距离较近的物体的拉力要大得多。但是这个球有足够的能量来释放下一个球。然而，这个球的能量比引起它释放的球要少。它可能有足够的能量来释放另一个或两个球，但是每一个被释放的球的能量都比以前少，最终链条会停止。

你可以用归纳逻辑来证明，不管你在每个磁铁前面堆了多少个球，系统最终都会停止。

为了估计当球被击中时由于加热而造成的损失，可以考虑一根竖立在桌子上的塑料管。在管子的底部放一个钢球。现在再把另一个球扔进管子里，它会击中底部的球，然后反弹回来。

现在测量一下球反弹的高度。如果它反弹到一半，损失是50%。用高斯玩具枪的球为自己做实验。你的球弹得多高？