利用Working Model研究狗尾巴草在振动箩筐内的定向运动 / 开普饭

1 引言

近日，微主在网上逡巡，偶然发现一对儿老夫妇在嬉戏，老爷子在箩筐里放置几颗狗尾巴草的花序，然后用指甲在箩筐表面不断滑动，狗尾巴草毛茸茸的花序竟然在箩筐里运动起来，彼此追逐，好想活了一般，惹得老太太喜笑颜开，宛如孩童一般，看起来非常的温馨和美。

心想着，如果自己在退休之后，也有人这样陪着一起玩耍，那肯定是很令人神往一件事儿。

2 现象展示

当老大爷用指甲在箩筐表面滑动时，狗尾巴草为什么会像毛毛虫一样运动起来呢？

3 狗尾巴草定向运动分析

仔细观察狗尾巴草的花序可以发现，狗尾巴草花序上长有非常多了毛刺，而且毛刺并不与中心轴垂直，而是成60°左右的夹角，并偏向尖端。

一方面，当狗尾巴草的花序横放在水平箩筐里时，毛刺在花序自身重力作用下弯曲。由于箩筐用篾条编制而成，表面凸凹不平，具有空间周期性，当用指甲在箩筐表面滑动的时候，会引起箩筐周期性的上下振动；在箩筐周期性上下振动的驱动下，狗尾巴草的花序不断地被弹向空中；花序与箩筐接触时毛刺被压弯，花序在空中时毛刺向前伸展，再次下落时会接触到比初始位置更靠后的位置；周而复始，狗尾巴草的花序就沿着根部所指的方向运动起来了。

另一方面，当高尾巴草的花序被弹起的过程中，还会获得一个指向花序尖端的分速度。为了研究花序从被迫向上运动到与箩筐分离这段时间的运动，可以选择箩筐为参考系，由于箩筐是非惯性系，需要引入惯性力，这相当于花序的重力变大，花序在毛刺的支撑下必然向根部方向倾倒，从而获得一个向后的分速度；花序在离开箩筐之后，做抛体运动，水平速度保持不变；当他再次落入箩筐中时，必然会接触到比初始位置更靠后的位置；周而复始，狗尾巴草的花序就沿着根部所指的方向运动起来了。

4 基于Working Model的仿真模拟

打开MSC.Working Model.2D软件，创建一个新文件。在工作区利用“多边形”工具创建一个锯齿朝上的多边形，用来模拟箩筐上表面特有的周期性凸凹不平；利用“长方形”工具创建一个锯齿长方形，用来模拟狗尾巴草的花序，再利用长方形”工具创建两个小长方形，名来模拟花序上倾斜的毛刺。

选择“旋转”工具，将两个小长方形旋转到合适的角度，再用“平移”工具将两个小长方形移动到与锯齿长方形匹配的位置。