乒乓球“懸浮術(shù)”

初一下學(xué)期，一次偶然的機(jī)會(huì)，我們無(wú)意間翻到八年級(jí)物理課本，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“吹乒乓球不掉”小實(shí)驗(yàn)，覺(jué)得非常有趣。當(dāng)時(shí)我們正好手邊有漏斗和乒乓球，于是嘗試了一下，發(fā)現(xiàn)乒乓球果然能夠懸浮不掉。這激發(fā)了我們對(duì)其原理的探究興趣，也讓我們思考：如果改變方向吹氣，乒乓球會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？于是我們?nèi)碎_(kāi)始了一系列實(shí)驗(yàn)與探討。

實(shí)驗(yàn)材料：PVC管（內(nèi)徑14mm，外徑16mm）、PVC彎頭（90°和45°）、鼓風(fēng)機(jī)（功率650W）、乒乓球、地漏（用于固定PVC管和連接鼓風(fēng)機(jī)）、漏斗、鐵絲（固定PVC管底部）、海綿塊（放置在鼓風(fēng)機(jī)下方用于減震）。

我們根據(jù)設(shè)計(jì)圖裁剪、連接材料，組裝成實(shí)驗(yàn)裝置。

當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)，氣流沿PVC管向各個(gè)方向流動(dòng)，此時(shí)把乒乓球分別放置在不同方向的管口處，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下。

向上的PVC管口：乒乓球會(huì)漂浮在管口氣流中，未因重力而下落。

向左或向右的漏斗口：乒乓球在漏斗口邊緣快速旋轉(zhuǎn)，但始終不掉落。

向下的漏斗口：乒乓球被氣流壓在漏斗底部，牢牢固定。

為了進(jìn)一步理解這些現(xiàn)象背后的原因，我們查閱了相關(guān)的物理學(xué)知識(shí)，得知實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與下面幾個(gè)內(nèi)容有關(guān)：

一是流體的定義和性質(zhì)。流體包括液體和氣體，具有流動(dòng)性且形狀不固定。其中氣體的可壓縮性大于液體。流體在流動(dòng)過(guò)程中，其形狀和層間會(huì)產(chǎn)生阻力（即黏滯性）。

二是伯努利原理。在忽略黏性損失的情況下，流體的壓力勢(shì)能、動(dòng)能和位勢(shì)能之和保持不變。當(dāng)流速增大時(shí)，壓強(qiáng)會(huì)減小。

三是康達(dá)效應(yīng)?？颠_(dá)效應(yīng)是指流體傾向于沿著物體表面流動(dòng)的現(xiàn)象。這種流動(dòng)受到表面摩擦力的影響，且根據(jù)牛頓第三定律，流體對(duì)物體施加的力會(huì)產(chǎn)生反作用力。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和上述理論知識(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，乒乓球在氣流中表現(xiàn)出的懸浮和旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可以通過(guò)力學(xué)分析進(jìn)行解釋。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，乒乓球受到的主要作用力包括：1.重力。乒乓球始終受到垂直向下的重力作用。2.氣流沖力。氣流的速度和方向決定了對(duì)乒乓球的推力或托力。3.大氣壓力。球體表面上、下方的壓力差會(huì)影響球的受力狀態(tài)。4.康達(dá)效應(yīng)。氣流貼著球面流動(dòng)時(shí)提供附著力，幫助乒乓球保持穩(wěn)定或回歸平衡位置。

以下是針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的具體受力情況分析：

當(dāng)PVC 管向上、斜向上時(shí)，流體對(duì)于乒乓球有向上或斜向上的沖力，乒乓球所受的重力向下，如圖1，康達(dá)效應(yīng)的存在則使得乒乓球趨向固定在氣流中間，當(dāng)某一時(shí)刻乒乓球發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向某一側(cè)時(shí)，康達(dá)效應(yīng)作用會(huì)讓乒乓球受力恢復(fù)力平衡的狀態(tài)（圖2）。

當(dāng)PVC管所接漏斗口向左或向右時(shí)，重力向下，漏斗對(duì)乒乓球的支撐力斜向上，康達(dá)效應(yīng)使得氣流順著球面流動(dòng)，三者受力平衡使得乒乓球懸浮在漏斗邊緣處而不跌落（圖3）。

當(dāng)PVC管接漏斗口向下時(shí)，一開(kāi)始把乒乓球塞到漏斗口，乒乓球與漏斗接觸緊密但不是完全密封狀態(tài)，按照伯努利原理，流速快壓強(qiáng)小，乒乓球上部氣壓比大氣壓小很多，重力向下，沖力向下，乒乓球上下部的壓強(qiáng)差使其所受壓力向上，乒乓球被壓住從而維持在漏斗口而不掉（圖4）。當(dāng)氣流停止送風(fēng)時(shí)，管內(nèi)外壓強(qiáng)一樣，乒乓球上下部所受壓力一樣而方向相反，故互相抵消，只受向下的重力影響，于是掉落。

我們的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了乒乓球在不同方向（向上、向下、向左、向右）的懸浮，并對(duì)這些狀態(tài)進(jìn)行了受力分析。這些現(xiàn)象新奇有趣，適合用作八年級(jí)物理課程中壓強(qiáng)演示的教具或科普展覽。

未來(lái)，我們希望進(jìn)一步優(yōu)化裝置設(shè)計(jì)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的觀賞性和實(shí)用性，為更多場(chǎng)景提供教學(xué)支持。

（該作品獲得第38屆廣西青少年科技創(chuàng)新大賽青少年科技創(chuàng)新成果競(jìng)賽中學(xué)組一等獎(jiǎng) 指導(dǎo)老師：寧東蓮、林學(xué)云、潘蘭）