邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:10.00

[去科技馆学科学]流动的科学

隗京花/中国科学技术馆

2018-02/总第263期

阅读数9

人类生活在美丽的地球上,而地球与太阳系中其他星球显著不同,地球是一个有丰富流体的天体,因为有了流体,整个地球就有了生命和生机。

流体是与固体相对应的一种物体形态,是液体和气体的总称,由于没有一定形状而且是流动的,因而使流体具有很多特殊性。伯努利原理是中学课本中关于流体特性的重要原理。飞机为什么能够飞上天,喷雾器为什么能不断喷洒出水雾,足球运动员为什么能够踢出香蕉球,这些生活中的现象都能通过伯努利原理得到解释。伯努利原理反映出流体的流速与压强的关系:流速越大,压强越小;流速越小,压强越大。中国科技馆“探索与发现”A厅的“气流投篮”和“香蕉球”展品,会带你在游戏中直观感受伯努利原理的真谛所在。

气流投篮

“气流投篮”展品主要由气流发射器、气流流速控制按钮、多个篮筐和球组成。篮筐有水平设置的,也有其他方位设置的。参与者按下气流发射器手柄上的按钮开关,便可启动风机产生气流,开始气流投球的体验过程。将球放在气流发射器的出风口处后,球便悬浮在气流中心,调整发射器的角度,通过控制“升速”和“降速”按钮调整气流速度,如果你的操作要领掌握得好,一定能体会到用气流把球送入篮筐的喜悦。同时,你也可能会产生这样的疑问:“看似无形且柔弱的气流是怎样把有一定重量的球投进篮筐的?”

图1为展品“气流投篮”结构示意图。当启动风机,气流从出口射出,把球放在气流中后,你会发现这样两个现象:一是,球可以在气流中平衡,改变气流方向,球的位置也随之改变,但始终不脱离气流中心;二是,球可以在气流推动下前进,并随气流速度的增减而上下移动,这些神奇的现象是怎样产生的?

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图1 展品“气流投篮”结构示意图


图2为气流方向竖直向上时球体的受力分析,图3为气流方向倾斜时球体的受力分析。其中:P1和P2为球两侧所受到的压力;G为球所受的重力;F为球所受的流体阻力;N为气流方向倾斜时球受到的与气流方向垂直的压力差,即空气动力。

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图2 气流方向竖直向上时球体的受力分析

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图3 气流方向倾斜时球体的受力分析


当气流竖直向上时(如图2),球的四周流速及压力对称,压力差为0,球在自身重力G和流体阻力F的作用下达到平衡。流速加大时,球所受的流体阻力加大,球向上运动,即向着流速较小的高处移动,从而在新的位置达到平衡。如果球受到扰动企图偏离气流中心时,大气压力随时会把球压回气流中心,当流速足够大时,球会始终保持在流动的气流中无法脱离。

当气流倾斜β角时(如图3)。由于重力G作用使球向左下方偏离气流中心,使得流过球上方的气流速度大于下方的速度,根据伯努利原理可知,流速大处压强小,流速小处压强大,由于气流上方压力P2小,而下方压力P1大,形成了指向右上方的空气动力N,当F与N形成的与G方向相反的合力与G相等时,三力的作用使球在空中处于平衡状态,球会保持在流动的气流中。如果气流倾角不断减小,F与N的合力会逐渐减小,当合力小于球的自身重力G时,球就会掉下来导致气流投篮失败。

若始终保持球位于气流中心,增加气流的流速,球在气流推动下不断前移,当球到达篮筐附近时,逐步减小气流倾斜角β,上述三个力会在某个临界情况下失去平衡,从而使球落下正好投向篮筐。经过体验才会发现,实现气流投篮并不是轻而易举的事,要深刻理解伯努利原理的实质,掌握规律,才能实现目标。

香蕉球

展品“香蕉球”由乒乓球发球机、球门、球员模型和微缩的台式足球场构成。在发球机和球门之间,球员模型挡在球门前,模拟足球比赛中任意球的发球场景。发球机的乒乓球输送管道内,装置有高速旋转的摩擦轮,可以使发球机射出明显的弧线球,以此模仿足球运动员踢出的香蕉球。足球场、球门和球员的大小是按照模仿足球的乒乓球的大小同比例缩小而成。如果球直线射出,一定会被球门前的球员挡住,无法射进球门,你一定要设计出香蕉球的发射方案,才可以实现将球射进球门的目标。

图4为展品“香蕉球”的结构示意图。首先,将球放入发球机,通过“左旋”和“右旋”按钮选择发球旋转方向,通过旋转手柄调整发球机角度,选择自己认为合适的出球角度,这一切准备工作做好之后,按下启动按钮将球射出,如果方向和角度调整合适,可以射出一个绝妙的香蕉球,绕过挡住球门的球员,破门而入。不过射出合适路线的香蕉球,能确保绕过挡在球门前的球员破门进球,并不是件容易事,也许需要反复探索和尝试,才能发现规律。当你亲眼所见自己发射的香蕉球破门得分时,心中一定充满了惊喜,也一定想赶快了解这其中的奥秘吧!

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图4 展品“香蕉球”结构示意图


图5为香蕉球的受力分析,图6为香蕉球飞行路线。射出香蕉球的必要条件是,使球一边向前飞行,一边绕对称轴旋转。此时,由于球的旋转和空气黏性的共同作用,在球周围的附面内产生环流。前方气流与环流共同作用的结果,使得在前方气流和环流同方向的一侧,气流流速加快(如图5左侧),在反方向的另一侧,流速减慢(如图5右侧)。根据伯努利原理,流速加快的一侧压力下降,流速减慢的一侧压力升高,两侧的压力差对足球产生的侧向作用力称为马格努斯力,其方向与足球的瞬时转轴垂直,同时还与球的运动方向垂直。这个力的存在会使射出的球一边向前飞行,一边向侧偏转,如果偏转的距离合适,球就会绕过球员到达球门。

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图5 香蕉球的受力分析

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图6 香蕉球飞行路线

由于马格努斯力的方向与球的旋转方向有关,因此,改变足球的旋转方向可以使足球在水平面内向左或向右偏转。踢香蕉球射门时,运动员并不是用脚踢足球的中心,而是稍稍偏向一侧,同时用脚背摩擦足球,使球在空气中前进的同时还不断地旋转。这时,一方面空气迎着球向后流动,另一方面,由于空气与球之间的摩擦,球周围的空气又会被带着一起旋转。这样,球一侧空气的流动速度加快,而另一侧空气的流动速度减慢,它们对足球所产生的压强也不一样,足球在空气压力作用下,被迫向空气流速大的一侧偏转了,于是才出现足球绕过防守人墙破门而入的神奇现象,它是足球运动一项重要的制胜技术。展品“香蕉球”正是通过乒乓球输送管道内高速旋转的摩擦轮,模拟足球运动员踢出香蕉球的初始条件的。在体验完展品后,你是否认识到掌握科学规律对解决现实问题的重要性了呢?

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