“听话的小球”是科技馆展品中让学生倍感兴趣的一件展品。小球为什么能够听话的沿着C型管跑圈圈呢?这就涉及到流体力学中的一条著名定律,伯努利定律,伯努利原理往往被表述为p+1/2ρv²+ρgh=C,这个式子被称为伯努利方程。式中p为流体中某点的压强,v为流体该点的流速,ρ为流体密度,g为重力加速度,h为该点所在高度,C是一个常量。它也可以被表述为p1+1/2ρv1²+ρgh1=p²+1/2ρv2²+ρgh²。
1726年,瑞士物理学家、数学家、医学家丹尼尔·伯努利提出了“伯努利原理”:“在水流或气流里,如果速度小,压强就大;如果速度大,压强就小”。即等高流动时,流速大,压力就小 。
“听话的小球”展台下方有一个风机,按下启动按钮,风机会沿着右边的竖管向上吹风,竖管里的空气快速流动,压力就变小了。而外界空气压力是正常值,与之形成压力差,空气会从压力大的位置向压力小的位置流动,所以空气就沿着C型管被源源不断地吸进了竖管里。小球则顺着气流的运动沿着C型管跑圈,周而复始。我们在等火车时要站在安全黄线以外,在高速公路上超车时要离大汽车远一点,足球运动员能踢出漂亮的“香蕉球”,乒乓球运动员能拉出美丽的“弧旋球”,飞机能飞上天空,到水流湍急的江河里去游泳是一件很危险的事,刮风掀翻屋顶或压垮大桥,喷雾器、消防炮等都有伯努利原理在起作用。伯努利原理对于确定流体内部各处的压力和流速有很大的实际意义,在水利、造船、航空等部门有着广泛的应用。
我们来看看历史中2个小故事。1905年冬季的一天,在俄国一个名叫鄂洛多克的小车站上,站长率全站38名员工,排成两队分别站在铁路线两旁,恭候沙皇派来视察的钦差大臣。不多久,列车在汽笛声中风驰电掣般地冲进了由38名铁路员工组成的“人巷”。离列车近一点的人员刚要举起手中的花束来欢呼,突然,所有的迎接人员都像是被人从背后猛推了一下,纷纷不由自主地向火车方向扑倒……这“魔鬼般的推力”,造成了包括站长在内的34人死亡,其余4人终身残疾。惨案发生后,地方法院开始调查惨案的真相。结果反复调查都找不出惨案发生的原因,机车状况良好,司机和员工都没有违规操作。其实这就是伯努利现象。当列车高速驶来时,靠近列车车厢的空气被带动而快速运动起来,压强就减小,站长和他的员工们离列车过近,他们身体前后会出现明显的压强差,身体后面较大的压力差将把他们推向列车而造成惨痛的灾祸。因此,在火车(或者是大货车、大巴士)飞速而来时,你绝对不可以站在离路轨(或车)很近的地方,千万不能跨过安全的黄色线,因为疾驶而过的火车(汽车)对站在它旁边的人有一股很大的吸引力。
1912年秋天,“奥林匹克”号轮船正在大海上航行,在距离这艘当时世界上最大远洋轮的100米处,有一艘比它小得多的铁甲巡洋舰“豪克”号正在向前疾驶,两艘船似乎在比赛,彼此靠得比较近,平行着驶向前方。忽然,正在疾驶中的“豪克”号好像被大船吸引似地,一点也不服从舵手的操纵,竟一头向“奥林匹克”号撞去。最后,“豪克”号的船头撞在“奥林匹克”号的船舷上,撞出个大洞,酿成一件重大海难事故。究竟是什么原因造成了这次意外的船祸?同样是“伯努利原理”。原来,当两艘船平行着向前航行时,在两艘船中间的水比外侧的水流得快,中间水对两船内侧的压强,也就比外侧对两船外侧的压强要小。于是,在外侧水的压力作用下,两船渐渐靠近,最后相撞。现在航海上把这种现象称为“船吸现象”。 有经验的海员们都知道两艘并排驶着的船会互相强烈地吸引。
下面我们一起来动手做有关伯努利原理的小实验吧。
器材准备:卡纸、吹风机、吸管、乒乓球、透明胶、双面胶、矿泉水瓶、洗洁精瓶、剪刀、茶叶罐、蚊帐撑杆不锈钢管
1、 相吸的“人”
用卡纸做两个假人站在站台上,间隔适当距离,用吹风机吹风模拟高速行驶的列车,看看会发生什么现象。
2、“船吸”模拟:两个乒乓球放在用双面胶固定在桌面上的不锈钢管上,间距约5-6厘米,用吸管往两球间吹气,发现球非但没吹开反而相吸。
3、乒乓球发射机
将矿泉水瓶、洗洁精瓶剪去头尾,如图示用透明胶粘成v字形圆筒,固定在茶叶罐底座上,就做成了乒乓球发射机。一头放入乒乓球,另一头用电吹风机沿着圆筒的上端吹风,我们可以看见乒乓球一个个像炮弹一样快速地发射出去。
4、悬浮的乒乓球
打开吹风机,吹风机的出风口朝上,把乒乓球放到风口后,松开手,乒乓球悬浮在空中,左右慢慢倾斜吹风机,乒乓球也不会掉下来。
5、 吹不走的球
剪下矿泉水瓶含瓶口部分,像个小漏斗,将乒乓球放入其中,吹风机的出风口朝上,用电吹风对着瓶口向上吹,加大风力,球也吹不走。
来源: 《科学大观园》科学课堂栏目