中⼆所竟已掌握了⻛系魔法?!

作者: 阿樂 & ⼩帕 &iu

来源: 中科院物理所

发布日期: 2023-01-07 14:46:03

本文通过一个简单的实验展示了在没有风的情况下,烟雾如何自行选择“凉快”的方向,并解释了其背后的物理原理。

烟,⻛吹向哪边就飘向哪边,但是在没⻛的时候,居然会⾃⼰选择“凉快”的⽅向。这种“聪明”的烟是怎么⼀回事呢?下⾯就跟着⼩编⼀起来看⼀下吧。

实验器材:⼀张纸,三个杯⼦。

实验过程:第⼀步:怎么⽅便地产⽣烟呢?这就⽤到了我们的⽼办法,把准备好的纸卷起来,这就是⼀个简单的定向烟雾发⽣器。

第⼆步:将三个杯⼦如同图⽚中⼀样叠罗汉叠起来,将卷好的纸插在最上⾯的杯⼦上,下⾯左边的杯⼦中装热⽔,右边的杯⼦装冷⽔。第三步:从露出的⼀端点燃纸,可以看到卷纸的另⼀端开始源源不断地产⽣烟雾,并且烟雾全部飘到了右边,从装冷⽔的杯⼦中飘了出来。第四步:再将左边杯⼦中的⽔换成冷⽔,烟雾不再左右飘动,⽽是⼏乎垂直地落向两个杯⼦中央。

原理解说:⾸先对于流体的流动状态有三种模式:流体分层流动,互不混合,称为层流;流体的流线开始出现波浪状的摆动,摆动的频率及振幅随流速的增加⽽增加,此种流况称为过渡流;流线不再清楚可辨,流场中有许多⼩漩涡,称为湍流。烟雾从上⾯杯⼦底部向下沉降时满⾜层流产⽣的必要条件(雷诺数Re=ρVL/μ较⼩,即流体密度ρ、特征速度V和物体特征⻓度L很⼩,或流体粘度μ很⼤的情况)。

再来分析三个杯⼦⾥⾯的物理情况,对于冷⽔(右)来说,它会吸收热量从⽽使空⽓温度降低体积“收缩”形成“拉⼒”,⽽对于热⽔(左)来说它会发出热量使温度升⾼体积“碰撞”形成“推⼒”,所以形成了⼀个从热⽔杯⼦到冷⽔杯⼦的通道。⽽两个杯⼦除了与上⽅的杯⼦连通外也和⼤⽓相连,那么就可以从左边杯⼦⼤⽓中补充空⽓然后从右边杯⼦排出,这样就形成了⼀个完整的循环。

向下沉降的烟雾也很聪明,看到这样的循环当然也要遵循规则啦,那就飘到冷⽔杯⾥吧!

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