“火龍卷”形成原理的模擬實(shí)驗(yàn)

火龍卷是一種像龍卷風(fēng)似的具有強(qiáng)烈熱量，處于中空燃燒狀態(tài)的巨大火焰。它給人們的生命安全帶來嚴(yán)重的危害，也給火災(zāi)的救援工作帶來巨大的困難。如果我們能夠更加清楚地了解火龍卷發(fā)生的成因和原理，就能夠更好地防范和控制火龍卷的發(fā)生，從而將火龍卷帶來的傷害降低到最小程度。

概述

日前，電視臺的科教頻道播放一部講述“火龍卷”的專題科教片。自然界的火龍卷大多形成于森林火災(zāi)或草原火災(zāi)，它是一種像龍卷風(fēng)似的具有強(qiáng)烈熱量，處于中空燃燒狀態(tài)的巨大火焰。它在地面生成，快速侵襲它所到達(dá)的區(qū)域，是森林火災(zāi)和草原火災(zāi)過程中的特殊燃燒現(xiàn)象。它給火災(zāi)的救援工作帶來難度，給撲火人員的人身安全帶來嚴(yán)重的危害。

看過這部專題科教片以后，筆者深深的被大自然的神奇力量所折服。同時(shí)也在想，如果我們能夠更加清楚地了解火龍卷發(fā)生的成因和原理，是不是就能夠更好地防范和控制火龍卷的發(fā)生，從而將火龍卷帶來的傷害降低到最小程度呢？

帶著這個(gè)疑問，筆者開始在網(wǎng)上搜索關(guān)于火龍卷的相關(guān)資料，并依照網(wǎng)上資料提示的信息，模擬了一個(gè)小型火龍卷的生成實(shí)驗(yàn)。

研究原因

在實(shí)驗(yàn)室模擬火龍卷產(chǎn)生的現(xiàn)象，了解火龍卷發(fā)生的成因和原理，從而更好地防范和控制火龍卷的發(fā)生，將火龍卷帶來的傷害降低到最小程度。

研究方法

實(shí)驗(yàn)道具

1）桶型玻璃杯一個(gè)；2）小型切割機(jī)一部；3）小型燃燒器皿一個(gè)；4）100mL酒精；5）點(diǎn)火器（或打火機(jī)）一個(gè)。

實(shí)驗(yàn)過程

1）將玻璃杯的底部切割下來，將玻璃杯沿對稱線切割成大小形狀相同的兩半（如圖3）。（注意：玻璃杯的切割須由指導(dǎo)老師或家長完成）

3）用點(diǎn)火器（或打火機(jī)）點(diǎn)燃小型燃燒器皿中的酒精（如圖5）。

4）將切割成兩半的玻璃杯拼接成完整的玻璃杯形狀，罩在小型燃燒器皿上（如圖6），此時(shí)觀察到燃燒器皿中燃燒的酒精火焰沒有變化。

5）將玻璃杯的兩片交錯(cuò)2mm（如圖7），此時(shí)觀察到燃燒器皿中燃燒的酒精火焰迅速被提高。

6）繼續(xù)觀察燃燒器皿中燃燒的酒精火焰，發(fā)現(xiàn)火焰的高度已經(jīng)到達(dá)了玻璃杯口的高度，并且呈螺旋式上升，類似于自然界的“火龍卷”（如圖8）。

7）如果將玻璃杯合攏，或者是將玻璃杯拿開，火焰都將會恢復(fù)到原來的狀態(tài)，說明兩片玻璃杯中間2mm的縫隙是形成火龍卷的關(guān)鍵因素。

研究原理

本實(shí)驗(yàn)的形成原理主要是“空氣對流”。玻璃杯圍住了火焰，但是有二道縫隙，讓空氣可以由縫隙流入，形成螺旋狀的氣流（如圖9中藍(lán)色箭頭）。當(dāng)火焰燃燒產(chǎn)生的熱空氣上升（如圖10中紅色箭頭），空氣可以由玻璃管縫隙流入補(bǔ)充，使得玻璃管內(nèi)的空氣一邊旋轉(zhuǎn)一邊上升，造成火龍卷的現(xiàn)象。

另一方面，由于火焰被局限在玻璃管內(nèi)，熱量往四周散開的程度較少，玻璃管的內(nèi)部與外圍的溫差增加，空氣對流也就越快，因此，使得火焰更為旺盛。

研究結(jié)論

火龍卷是一種具有巨大破壞力的自然現(xiàn)象，它在特定的條件下形成后，會給人們的生命安全帶來巨大的災(zāi)難，我們在弄清楚它的成因和原理以后，就能夠有針對性地進(jìn)行有效的防范和治理。

但是，人類的智慧是無窮的，如果能夠?qū)⒒瘕埦硇纬傻脑砜茖W(xué)有效地應(yīng)用到人們的生產(chǎn)生活當(dāng)中，就能夠“為人所用”，為我們的生活帶來巨大的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]Proceedings of the National Academy of Sciences-From fire whirlsto blue whirls and combustion with reduced pollution.http：//www.pnas. org/content/113/34/9457.full.

[2]國立臺中教育大學(xué)，NTCU 科學(xué)教育與應(yīng)用學(xué)系，科學(xué)游戲?qū)嶒?yàn)室.http：//scigame.ntcu.edu.tw/ chemistry/chemistry-036.html.

（指導(dǎo)老師：曹登勇，鄭長宏；作者簡介：胡晉瑋，成都七中初中學(xué)校。）endprint