你見過這種操作嗎?
一個紙杯側(cè)面開洞,
手指在杯底一敲,
一個圓滾滾的煙圈就慢悠悠飄出來了
實驗器材
瓶蓋、紙杯、紙殼、剪刀、打火機、所標杯
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實驗步驟
在紙杯側(cè)壁靠近底部的位置,剪一個圓形小洞,直徑大約1 厘米。洞口盡量圓一些,邊緣也盡量平整。洞口形狀越規(guī)則,后面的煙圈通常也越穩(wěn)定。
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安全提醒:用剪刀和美工刀時注意手,后面會用到明火,最好在通風處操作,旁邊不要放易燃物。
在盤子里放一小撮紙屑,點燃后輕輕吹滅,讓它保持陰燃狀態(tài)。這一步不需要火苗太大,關(guān)鍵是讓紙屑穩(wěn)定地產(chǎn)生煙霧。
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第三步:
趁煙霧還濃,把紙杯倒扣在冒煙的紙屑上方,讓煙霧盡量充滿杯內(nèi)。
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第四步:
用手指輕輕敲一下杯底。重點是動作短促,不是用力過猛。如果狀態(tài)合適,你會看到一個圓環(huán)狀的煙圈從洞口鉆出來,邊旋轉(zhuǎn)邊往前飄。
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第五步:
可以試著改幾個變量:
·敲得輕一點,看看煙圈會不會更小、更穩(wěn)
·改變洞口大小,觀察煙圈粗細和速度有什么變化
給杯子多加幾個洞,可以看到每個洞都會吐煙圈~
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第六步:
實驗結(jié)束后,確認紙屑已經(jīng)完全熄滅,再處理殘余火星和器材。
原理解說
很多人第一眼會覺得:這不就是把杯子里的煙擠出來了嗎?
這樣理解只對了一半。真正飛出去的,不是一團散煙,而是一團帶著旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的空氣。煙只是把原本看不見的流動顯示出來了。這個結(jié)構(gòu)就是渦旋環(huán)(vortex ring)。當你敲擊杯底時,杯子里的空氣會被短促地往前推,從小洞里擠出去。問題在于,洞口中央的空氣沖得快,靠近邊緣的空氣因為受到洞口摩擦和周圍靜止空氣的拖拽,速度會慢一些。中間快、邊上慢,這種速度差會讓氣流在洞口附近往回卷,最后卷成一個環(huán)狀的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
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于是,一個煙圈就出現(xiàn)了。
它不是平著飄出去的一片煙,而是一整個邊轉(zhuǎn)邊前進的空氣環(huán)。煙霧只是剛好附著在這個空氣環(huán)上,讓它變得可見。可以做個很粗略的估算。假設(shè)紙杯內(nèi)部橫截面積是A,小洞面積是 a,敲擊杯底后,杯內(nèi)空氣整體獲得一個速度 V。按照連續(xù)性關(guān)系,洞口噴出的空氣速度大約滿足:v ≈ (A / a) · V因為通常A ? a,所以哪怕杯底只移動了一點點,洞口那邊的空氣也可能被擠得很快。這就是為什么手指輕輕一敲,洞口那邊已經(jīng)能形成比較快的噴流。紙杯結(jié)構(gòu)雖然簡單,但工作原理確實接近一個微型空氣炮。
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此處@物理所的空氣炮
煙圈能往前飛一段,不是因為它“結(jié)實”,而是因為它內(nèi)部一直在轉(zhuǎn)。空氣沿著環(huán)形路徑循環(huán)流動,相當于這個圈在一邊自轉(zhuǎn),一邊整體向前推進。可以把它想成一個空氣做成的環(huán):外形是圈,內(nèi)部也在繞圈。正因為這種旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在自我維持,煙圈才不會剛出洞口就立刻散開。如果從形狀上看,渦旋環(huán)對應(yīng)的就是一個環(huán)面,也就是數(shù)學(xué)里常說的torus。用更直觀的話說,它的確和甜甜圈的外形有些相似。因為現(xiàn)實里的空氣不是理想流體。空氣有黏性,流動過程中會不斷耗散能量。煙圈在飛行時會慢慢變大、變淡、變慢,邊界也越來越模糊,最后徹底混進周圍空氣里。
如果再往理論里多走一步,這件事和流體力學(xué)里的亥姆霍茲渦旋定理有關(guān)。這個定理大意是,在理想流體里,渦旋結(jié)構(gòu)不會無緣無故中斷。它要么延伸到邊界,要么自己閉合成一個環(huán)。而煙圈,恰好就是后一種情況:它是一個閉合的渦旋管。也正因為它是個閉合結(jié)構(gòu),所以在空氣里能保持一段相對穩(wěn)定的形狀,而不是剛冒頭就散架。這個邏輯聽起來有點學(xué)術(shù),但可以簡單理解成一句話:它之所以像個完整的圈,是因為里面的旋轉(zhuǎn)本來就是首尾相接的。
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圖源網(wǎng)絡(luò)
這種結(jié)構(gòu)并不只出現(xiàn)在紙杯實驗里。有意思的地方在于,你手里這個小紙杯做出來的,并不是什么偶然的游戲效果,而是自然界和工程里都常見的一類流動。海豚有時會在水里吐出一串氣泡環(huán),然后拿它們當玩具。那些氣泡環(huán)本質(zhì)上也是渦旋環(huán),只不過介質(zhì)從空氣換成了水。有些火山噴發(fā)時,也會噴出巨大的煙氣環(huán)。原理和紙杯實驗其實是一類:氣體被突然推出一個開口,邊緣速度差讓氣流卷起來,最后形成環(huán)狀渦旋。
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海豚吐環(huán)形氣泡和火山煙環(huán)。圖源網(wǎng)絡(luò)
所以下次如果你再敲出一個漂亮煙圈,不妨多看一眼。你看到的不是一團偶然飄出來的煙,而是一個完整的渦旋環(huán)。而一個普通紙杯,已經(jīng)足夠把這件事演示得很清楚了。
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