啤酒瓶傾角和瓶內(nèi)壓強影響瓶內(nèi)液體流速的實驗探究

郭宇琛

摘要：啤酒瓶倒液體時，在啤酒瓶頸會產(chǎn)生周期振蕩的“瓶頸效應”，并且瓶中存在大量的氣體導致瓶內(nèi)壓強遠大于大氣壓，如何使瓶中的液體更快流出，本實驗不僅研究了啤酒的傾角對液體流出速率的影響，還探究了瓶中壓強對液體流出速率的影響。實驗表明，瓶頸效應在傾倒角度大于某一角度時出現(xiàn)；隨傾倒角度增大，啤酒流出的速率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，瓶中壓強會直接影響倒出啤酒的時間，并不會改變傾角對速率的影響，使啤酒更少受到瓶頸效應的影響。當傾角不變時，壓強變大，液體流出的速率變快。

關鍵詞：啤酒瓶傾角；啤酒；壓強；瓶頸效應；空泡

一、選題依據(jù)

在啤酒節(jié)中，觀看比賽喝啤酒的場景時，我想到如何讓啤酒更快地從啤酒瓶中傾倒出。在親自動手實驗的過程中，發(fā)現(xiàn)傾角低的明顯比傾角高的流速慢，但是傾角越高又會有空泡阻礙啤酒的流出。因此我心中便產(chǎn)生了疑惑：到底怎么樣才能使啤酒瓶中的啤酒更快流出呢？我查找了許多國內(nèi)外的論文，發(fā)現(xiàn)傾角和壓強可以改變液體的“瓶頸效應”，進而改變液體的流速。因此我想到了探究“瓶頸效應”對流速的影響，找到傾角和壓強對流速的影響。

1.新穎性

應用理論新：實驗中運用到了“瓶頸效應”理論，目前在這一領域研究的人較少，尚未有人通過角度和壓強來探究“瓶頸效應”。

2.先進性

我通過實驗找出了細頸瓶中倒出有壓強和無壓強的液體的最合適傾角，這是以前沒有人找到的，通過研究有壓強的液體，能更好地將“瓶頸效應”廣泛運用到生活中，方便人們的生活，搭建了理論和現(xiàn)實之間的橋梁。

3.實用性

本實驗通過探究在細頸容器中液體最快速度流出的傾倒角度，有利于瓶裝液體產(chǎn)品工廠灌裝工序過程中降低時間成本，減少原材料浪費，從而提供生產(chǎn)率，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，例如：瓶裝醋、瓶裝醬油、啤酒、可樂……當傾倒角度在臨界情況角度周圍可以減少啤酒倒出時的氣泡。在軍事方面，可以減少坦克在戰(zhàn)場補給時間，加快坦克加油速度。

二、基本原理

啤酒瓶向外傾倒液體的過程中，在啤酒瓶頸部會出現(xiàn)液體與氣體交替進出啤酒瓶、流體流動產(chǎn)生間歇振蕩的復雜兩相流動現(xiàn)象，將此現(xiàn)象定義為“瓶頸效應”。在啤酒瓶倒酒的過程中，瓶口會產(chǎn)生大量有空氣組成的氣泡，稱為“空泡”，空泡會阻塞液體流出速率，也就是當啤酒瓶傾角達到最大卻速率不是最大的主要原因。因此通過分析傾角和壓強對瓶頸效應的影響可以直接影響液體傾倒速率。當瓶頸效應發(fā)生時，液體充滿瓶頸截面流出容器，造成容器內(nèi)壓強降低；當容器內(nèi)外壓力差達到一定程度時，氣體在大氣壓作用下進入瓶頸生成氣泡平衡壓力差，同時減少了液體的流通面積和流動速度；隨著瓶內(nèi)外壓力差減少，液體通流面積和流動速度逐漸增大，直至壓力差不足以將氣體擠入瓶頸時，液體充滿整個瓶頸，將再次重復上述流動過程，形成液體的周期性間歇流動。

三、實驗過程

1.儀器材料

2.實驗步驟

實驗一：測量啤酒瓶壓強

快速開啟瓶蓋，用氣球口蓋住啤酒瓶瓶口，可以明顯看到壓強計中的墨水變化，通過墨水的高度差h，用公式p pgh得到啤酒瓶開啟時的壓強為686pa；

實驗二：在不同傾角下，測量啤酒瓶中傾倒水的速率

組裝儀器，通過攝像機拍攝，可以得到啟封瓶口時（水開始流動）到無水滴流出時的時間t；通過將細頸容器總容積和量筒測量的剩余水的體積作差，可以獲得流出容器的凈水量v，通過V/t求出整個流動過程的平均流量。

實驗三：在不同傾角下，測量啤酒瓶中傾倒啤酒的速率

組裝儀器，通過攝像機拍攝，可以得到啟封瓶口時（啤酒開始流動）到無啤酒流出時的時間t；通過將細頸容器總容積和量筒測量的剩余啤酒體積作差，可以獲得流出容器的凈水量v，通過V/t求出整個流動過程的平均流量。

3.實驗結果

從測量的啤酒倒出時間我們可以直觀感受出160°的用時最少。

通過測量啤酒瓶壓強，可得知啤酒傾倒與水傾倒不同，啤酒會產(chǎn)生氣泡使得瓶中壓強增大。

在本實驗條件下，實驗觀測得到瓶頸效應發(fā)生的臨界角度為86°，即當傾倒角度為85°時瓶口處有微量水流出，但是瓶頸及容器內(nèi)不產(chǎn)生氣泡；只有當傾倒角度達到86°時，容器內(nèi)開始產(chǎn)生空泡，并伴隨液面間歇性振蕩，即產(chǎn)生瓶頸效應。

實驗中發(fā)現(xiàn)，空泡隨著時間的增加，沒有產(chǎn)生瓶頸效應，沒有一個完整的氣泡在瓶口形成，當?shù)谝粋€空泡快形成時，啤酒瓶上部分形成一個空氣柱，將空氣和水分開，此時的速率是最慢的，流量也是最小的，此時的啤酒流速更平穩(wěn)，這個傾角更適合在公共場合倒啤酒，因為此時速率最小，所以由流體力學伯努利定律得到壓強減小的慢，二氧化碳冒出的少。

由實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)隨著時間的增加，啤酒的速率是增加的，從90。開始能看見明顯的氣泡，并且這些空泡會帶動啤酒形成氣化核心，能持續(xù)的在瓶底產(chǎn)生氣泡，在10秒前增大壓強，在90°一100°的實驗中發(fā)現(xiàn)到了10秒后壓強不再影響啤酒速率，因為啤酒流出的速率快，導致了瓶子底部的體積變大，但是氣泡冒出的速率慢，所以瓶底的壓強逐漸變小。

隨著傾角的增加，發(fā)現(xiàn)由重力主導的部分時間變少，從105°開始發(fā)現(xiàn)水流是快慢交替的周期性流出，其中慢的時候是有大量空泡堵在瓶口，當角度到達了160°，空泡和水流達到平衡，此時的水流流出速率達到最快。

150°時一共出現(xiàn)了九個空泡；160°時，啤酒瓶中一共出現(xiàn)了八個空泡；175°時過了1.404秒出現(xiàn)第一個空泡，之后就不再出現(xiàn)空泡。說明了空泡太多會阻礙啤酒下流，空泡太少又會使速率變慢，160°時八個空泡是最佳的情況，因此160°時，啤酒流出速率達到最快。我對比了用水做的傾倒實驗，發(fā)現(xiàn)得到一致的結論，說明了壓強并不會改變傾角對速率的影響。在opa和686pa（啤酒瓶內(nèi)壓強）時，160°都是最快的傾角。當傾角不變時，壓強變大，液體流出的速率變快。

四、實驗結果

1.實驗表明，瓶頸效應在傾倒角度大于某一角度時出現(xiàn)，本實驗中該角度為86°。

2.當角度增加，啤酒流出的速率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，啤酒的流出速率最大值時所對應的角度為160°。

3.瓶中壓強會直接影響倒出啤酒的時間，并不會改變傾角對速率的影響，使啤酒更少受到瓶頸效應的影響。在0pa和686pa（啤酒瓶內(nèi)壓強）時，160°都是最快的傾角。當傾角不變時，壓強變大，液體流出的速率變快。