流動(dòng)的科學(xué)

隗京花

人類生活在美麗的地球上，而地球與太陽(yáng)系中其他星球顯著不同，地球是一個(gè)有豐富流體的天體，因?yàn)橛辛肆黧w，整個(gè)地球就有了生命和生機(jī)。

流體是與固體相對(duì)應(yīng)的一種物體形態(tài)，是液體和氣體的總稱，由于沒(méi)有一定形狀而且是流動(dòng)的，因而使流體具有很多特殊性。伯努利原理是中學(xué)課本中關(guān)于流體特性的重要原理。飛機(jī)為什么能夠飛上天，噴霧器為什么能不斷噴灑出水霧，足球運(yùn)動(dòng)員為什么能夠踢出香蕉球，這些生活中的現(xiàn)象都能通過(guò)伯努利原理得到解釋。伯努利原理反映出流體的流速與壓強(qiáng)的關(guān)系：流速越大，壓強(qiáng)越??；流速越小，壓強(qiáng)越大。中國(guó)科技館“探索與發(fā)現(xiàn)”A廳的“氣流投籃”和“香蕉球”展品，會(huì)帶你在游戲中直觀感受伯努利原理的真諦所在。

氣流投籃

“氣流投籃”展品主要由氣流發(fā)射器、氣流流速控制按鈕、多個(gè)籃筐和球組成?；@筐有水平設(shè)置的，也有其他方位設(shè)置的。參與者按下氣流發(fā)射器手柄上的按鈕開(kāi)關(guān)，便可啟動(dòng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流，開(kāi)始?xì)饬魍肚虻捏w驗(yàn)過(guò)程。將球放在氣流發(fā)射器的出風(fēng)口處后，球便懸浮在氣流中心，調(diào)整發(fā)射器的角度，通過(guò)控制“升速”和“降速”按鈕調(diào)整氣流速度，如果你的操作要領(lǐng)掌握得好，一定能體會(huì)到用氣流把球送入籃筐的喜悅。同時(shí)，你也可能會(huì)產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)：“看似無(wú)形且柔弱的氣流是怎樣把有一定重量的球投進(jìn)籃筐的？”

圖1為展品“氣流投籃”結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，氣流從出口射出，把球放在氣流中后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣兩個(gè)現(xiàn)象：一是，球可以在氣流中平衡，改變氣流方向，球的位置也隨之改變，但始終不脫離氣流中心；二是，球可以在氣流推動(dòng)下前進(jìn)，并隨氣流速度的增減而上下移動(dòng)，這些神奇的現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的？

圖2為氣流方向豎直向上時(shí)球體的受力分析，圖3為氣流方向傾斜時(shí)球體的受力分析。其中：P1和P2為球兩側(cè)所受到的壓力；G為球所受的重力；F為球所受的流體阻力；N為氣流方向傾斜時(shí)球受到的與氣流方向垂直的壓力差，即空氣動(dòng)力。

當(dāng)氣流豎直向上時(shí)（如圖2），球的四周流速及壓力對(duì)稱，壓力差為0，球在自身重力G和流體阻力F的作用下達(dá)到平衡。流速加大時(shí)，球所受的流體阻力加大，球向上運(yùn)動(dòng)，即向著流速較小的高處移動(dòng)，從而在新的位置達(dá)到平衡。如果球受到擾動(dòng)企圖偏離氣流中心時(shí)，大氣壓力隨時(shí)會(huì)把球壓回氣流中心，當(dāng)流速足夠大時(shí)，球會(huì)始終保持在流動(dòng)的氣流中無(wú)法脫離。

當(dāng)氣流傾斜β角時(shí)（如圖3）。由于重力G作用使球向左下方偏離氣流中心，使得流過(guò)球上方的氣流速度大于下方的速度，根據(jù)伯努利原理可知，流速大處壓強(qiáng)小，流速小處壓強(qiáng)大，由于氣流上方壓力P2小，而下方壓力P1大，形成了指向右上方的空氣動(dòng)力N，當(dāng)F與N形成的與G方向相反的合力與G相等時(shí)，三力的作用使球在空中處于平衡狀態(tài)，球會(huì)保持在流動(dòng)的氣流中。如果氣流傾角不斷減小，F(xiàn)與N的合力會(huì)逐漸減小，當(dāng)合力小于球的自身重力G時(shí)，球就會(huì)掉下來(lái)導(dǎo)致氣流投籃失敗。

若始終保持球位于氣流中心，增加氣流的流速，球在氣流推動(dòng)下不斷前移，當(dāng)球到達(dá)籃筐附近時(shí)，逐步減小氣流傾斜角β，上述三個(gè)力會(huì)在某個(gè)臨界情況下失去平衡，從而使球落下正好投向籃筐。經(jīng)過(guò)體驗(yàn)才會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)氣流投籃并不是輕而易舉的事，要深刻理解伯努利原理的實(shí)質(zhì)，掌握規(guī)律，才能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

香蕉球

展品“香蕉球”由乒乓球發(fā)球機(jī)、球門、球員模型和微縮的臺(tái)式足球場(chǎng)構(gòu)成。在發(fā)球機(jī)和球門之間，球員模型擋在球門前，模擬足球比賽中任意球的發(fā)球場(chǎng)景。發(fā)球機(jī)的乒乓球輸送管道內(nèi)，裝置有高速旋轉(zhuǎn)的摩擦輪，可以使發(fā)球機(jī)射出明顯的弧線球，以此模仿足球運(yùn)動(dòng)員踢出的香蕉球。足球場(chǎng)、球門和球員的大小是按照模仿足球的乒乓球的大小同比例縮小而成。如果球直線射出，一定會(huì)被球門前的球員擋住，無(wú)法射進(jìn)球門，你一定要設(shè)計(jì)出香蕉球的發(fā)射方案，才可以實(shí)現(xiàn)將球射進(jìn)球門的目標(biāo)。

圖4為展品“香蕉球”的結(jié)構(gòu)示意圖。首先，將球放入發(fā)球機(jī)，通過(guò)“左旋”和“右旋”按鈕選擇發(fā)球旋轉(zhuǎn)方向，通過(guò)旋轉(zhuǎn)手柄調(diào)整發(fā)球機(jī)角度，選擇自己認(rèn)為合適的出球角度，這一切準(zhǔn)備工作做好之后，按下啟動(dòng)按鈕將球射出，如果方向和角度調(diào)整合適，可以射出一個(gè)絕妙的香蕉球，繞過(guò)擋住球門的球員，破門而入。不過(guò)射出合適路線的香蕉球，能確保繞過(guò)擋在球門前的球員破門進(jìn)球，并不是件容易事，也許需要反復(fù)探索和嘗試，才能發(fā)現(xiàn)規(guī)律。當(dāng)你親眼所見(jiàn)自己發(fā)射的香蕉球破門得分時(shí)，心中一定充滿了驚喜，也一定想趕快了解這其中的奧秘吧！

圖5為香蕉球的受力分析，圖6為香蕉球飛行路線。射出香蕉球的必要條件是，使球一邊向前飛行，一邊繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，由于球的旋轉(zhuǎn)和空氣黏性的共同作用，在球周圍的附面內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流。前方氣流與環(huán)流共同作用的結(jié)果，使得在前方氣流和環(huán)流同方向的一側(cè)，氣流流速加快（如圖5左側(cè)），在反方向的另一側(cè)，流速減慢（如圖5右側(cè)）。根據(jù)伯努利原理，流速加快的一側(cè)壓力下降，流速減慢的一側(cè)壓力升高，兩側(cè)的壓力差對(duì)足球產(chǎn)生的側(cè)向作用力稱為馬格努斯力，其方向與足球的瞬時(shí)轉(zhuǎn)軸垂直，同時(shí)還與球的運(yùn)動(dòng)方向垂直。這個(gè)力的存在會(huì)使射出的球一邊向前飛行，一邊向側(cè)偏轉(zhuǎn)，如果偏轉(zhuǎn)的距離合適，球就會(huì)繞過(guò)球員到達(dá)球門。

由于馬格努斯力的方向與球的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，因此，改變足球的旋轉(zhuǎn)方向可以使足球在水平面內(nèi)向左或向右偏轉(zhuǎn)。踢香蕉球射門時(shí)，運(yùn)動(dòng)員并不是用腳踢足球的中心，而是稍稍偏向一側(cè)，同時(shí)用腳背摩擦足球，使球在空氣中前進(jìn)的同時(shí)還不斷地旋轉(zhuǎn)。這時(shí)，一方面空氣迎著球向后流動(dòng)，另一方面，由于空氣與球之間的摩擦，球周圍的空氣又會(huì)被帶著一起旋轉(zhuǎn)。這樣，球一側(cè)空氣的流動(dòng)速度加快，而另一側(cè)空氣的流動(dòng)速度減慢，它們對(duì)足球所產(chǎn)生的壓強(qiáng)也不一樣，足球在空氣壓力作用下，被迫向空氣流速大的一側(cè)偏轉(zhuǎn)了，于是才出現(xiàn)足球繞過(guò)防守人墻破門而入的神奇現(xiàn)象，它是足球運(yùn)動(dòng)一項(xiàng)重要的制勝技術(shù)。展品“香蕉球”正是通過(guò)乒乓球輸送管道內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的摩擦輪，模擬足球運(yùn)動(dòng)員踢出香蕉球的初始條件的。在體驗(yàn)完展品后，你是否認(rèn)識(shí)到掌握科學(xué)規(guī)律對(duì)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的重要性了呢？