“水顶球”与“气顶球”之异同

2012-09-23余小英李凡生易其顺

贺州学院学报 2012年4期

余小英，李凡生，黄婷，易其顺

(广西民族师范学院物理与电子工程系，广西崇左 532200)

在趣味物理实验表演中，水顶球和气顶球这两个实验都是老师和学生最喜欢的，具有很大的观赏性。很多学过物理的人都知道，这两个实验涉及到的主要物理原理都是流体力学中的伯努利原理:流速大的地方压强小，流速小的地方压强大。实际情况仅此而已吗?其实不然。这两个实验从实验装置、表演技巧、现象等方面还是存在很多不一样的地方。了解两者之间的异同能更好地学习和掌握相关的物理知识，制作出更精美、更具趣味性的实验装置。

1 “水顶球”与“气顶球”演示实验现象

1.1 水顶球

水顶球实验如图1所示，制作方法如下:选用了一个大水壶，在壶口处塞一个胶塞，胶塞上穿一个小孔，装上自行车轮胎的气门蕊;在壶的另一端也开一个孔，然后塞一个胶塞，在胶塞上穿一个小孔，小孔的一端装尖嘴玻璃管(可用圆珠笔套管代替)，尖的那端朝上，小孔的另一端连一条细胶管，胶管的另一端要触到壶的底部。之后在水壶中装适量的水，再用打气筒给水壶打气，水壶中的水在气压的作用下，经胶管有尖端开口处高速喷出，形成水柱。将乒乓球放在水柱出射端，水柱将给乒乓球一个向上的冲力，此时可以看到乒乓球作旋转运动并沿水柱上升，当乒乓球上升到一定高度后就会一直停留在水柱旁不掉，而且不断的旋转，周围水花飞溅，煞是好看。也可以对实验装置进行改进，采用分支管法(如图2所示)，将一个水柱分为几根水柱，这样就可以同时观察到几个乒乓球同时被顶起的现象，增加实验的观赏性和趣味性。

1.2 气顶球

“气顶球”实验装置则简单得多，直接用吹风筒作为气源即可，有条件的话，使用气垫导轨用的气源效果更佳。出气端直接连接胶管，将气源开关打开，乒乓球放在气流口上，则乒乓球会被气流顶起来而不掉，而且乒乓球总在气流中心轴线附近晃动。现在，不让气流出射方向竖直向上，而是缓慢的将气源出气端移动使其偏离一定的角度，可以看到乒乓球不但没有掉落，反而还跟着气源“走”，当缓慢的将气源的出气端移回竖直方向时，乒乓球也乖乖的跟着回来，再将气源缓慢的向其他方向移动使其偏离一定角度，乒乓球同样会跟着“走”。但这个角度不能太大，否则乒乓球会掉落。如果观察的仔细，可以发现乒乓球是旋转着走的，待气柱停止移动，保持一定角度时，乒乓球也不再是在气流中心轴线附近晃动，而是不停的做旋转运动。这是一个气柱顶起一个球的实验。

“气顶球”实验还可以进行“一气顶多球”［1］28这样的改进，实现了一个气柱顶起多个乒乓球(如图3所示)。用铁架台固定好，并使气流出射方向竖直向上;用注射器将在乒乓球内注入少量的水，将其放在气柱上，根据实验成功的条件，调节水的注入量;另取一个乒乓球，采取同样的方法来改变其质量;在气柱上做检验，控制水的注入量，使其能悬浮在第一个球的上方;其它的乒乓球的制作方法依次类推，最后一个乒乓球不注入水;调节好各乒乓球内的注水量后，再用502胶水将针眼封住，以防在乒乓球的水在旋转过程中把水甩出。采用这种注水的方法，就可以实现一个气柱同时顶起多个球。

2 “水顶球”与“气顶球”之异同

2.1 “水顶球”与“气顶球”的相同之处

“水顶球”与“气顶球”的相同之处就是两者主要运用的原理都是流体力学中的伯努利原理:［2］355流速V大的地方压强P小，流速V小的地方压强P大。当向上的气流或水流遇到乒乓球时，会对乒乓球产生向上的冲力，乒乓球在上升的过程中会偏离流体的中心轴线(流速最大处)，水流或气流从球的旁边流过，而流体中心轴线的流速最大，压强最小;离中心轴线越远，流速越小，压强越大。因此，乒乓球会受到流体压力是指向中心轴线的压力，使得乒乓球总是贴近中心轴线。这样就使得乒乓球受到气流或水流持续往上的冲力，与球所受到的重力构成一个奇妙的平衡，从而把乒乓球顶起。

2.2 “水顶球”与“气顶球”的不同之处

2.2.1 实验现象和原理的区别

从实验现象和原理上看，在“水顶球”实验中，当竖直向上的水柱遇到乒乓球时，水柱从乒乓球的一侧面以小球边沿的切线方向流过，根据伯努利原理:流速大的地方压强小，流速小的地方压强大。由于水流不断地从乒乓球的一侧流过时流速较大，使得远离水流的另一侧压强大，从而产生一个压力差，在压力差的作用下，乒乓球被压在水柱上，看到的现象就是乒乓球贴在水柱的旁边。在“水顶球”实验中，当水柱遇到乒乓球时，水柱将从乒乓球一侧的切线方向流过，给乒乓球一个向上的冲力F，此冲击力F的方向并不是在乒乓球的重心“O”点位置，而是偏离O点，如图4所示。由于冲力F和重力G不是在同一条直线上，而是产生一个力矩，乒乓球受到力矩的作用后，乒乓球就一边转动一边上升。当冲力F与乒乓球的重力G在竖直方向上平衡时(大小相等，方向相反时)，乒乓球将停留在那里，并不停的作旋转运动，其转动轴是垂直于水柱和球心所构成的竖直平面。

而在“气顶球”实验中，当竖直向上的气流遇到乒乓球时，因为空气的密度小于乒乓球的密度，并由于空气的粘滞力的存在，气流从乒乓球的四周流过，因此，乒乓球在气流的中心轴线位置。在“气顶球”实验中，当竖直向上的气流遇到乒乓球时，气流从乒乓球的旁边流过，在球的四周对球产生了斜向上的压力，……，如图5，这些压力的合力方向竖直向上。当这个合力等于球的重力G时，乒乓球就被稳稳地顶起来。但是，由于乒乓球的位置不是一成不变的，一但有轻微的扰动则会偏离气流中心轴线。对于气流，由于粘滞力的存在，气流中心轴线的流速最大，离气流中心轴线越远，流速越小。由伯努利原理可知，气流中心轴线的压强最小，离气流中心轴线越远，压强越大。因此，乒乓球每时每刻都会受到四周气体指向中心轴线的压力，这些压力的作用迫使乒乓球只能在气流中心轴线附近晃动。就像有一双无形的手把乒乓球托起。

通过实验观察、分析可知，水顶球时，乒乓球因受一力矩作用而不断地做旋转运动，并带动周围的水流和空气一起旋转，乒乓球的受力可以看作是在一个竖直平面内的;气顶球时，乒乓球因时时刻刻受到气流向中心轴线的压力，这些力是包围着乒乓球的，可以说是立体的，球体只是不断地在气流中心轴线附近晃动，因而具有很好的稳定性。当然，缓慢的移动气源出气端使其出射方向偏离竖直方向一定角度时，乒乓球同样与水顶球时那样做旋转运动，但它们的原理却不同。在气柱移动的过程中，乒乓球两边的流速不等，气流是不停的从乒乓球两边流过而不断地摩擦着乒乓球的，在这过程中，流速大的地方摩擦力大，流速小的地方摩擦力小，摩擦力大的地方使乒乓球向摩擦力小的一边运动，从而使乒乓球做旋转运动。向其它方向偏也是一样的原理。当然，这只限定在一定角度范围内，如果超出了这一角度范围，乒乓球就会掉落。如果气流流速不够大，也是很难成功的。所以，气流的出射方向偏离竖直方向一定角度时，乒乓球做旋转运动的原理，与水顶球时乒乓球旋转的原理是不一样的。

2.2.2 实验操作层面上的区别

首先，在“水顶球”实验中，水柱的出射方向必须竖直向上，否则，乒乓球会掉落。究其原因，如若水柱是倾斜的，它对乒乓球所产生的冲力就是斜往上的，这个力会产生一个水平方向的分力，是乒乓球偏离水柱，最终掉落;其次，“水顶球”实验中，一根水柱只能顶起一个球。其中的原因是:由于水的密度远大于空气的密度，当它顶起一个乒乓球之后，水柱就已经是断裂的，并且在离心力的作用下四处飞溅，不再连续，形不成顶起第二个乒乓球的水柱。

在“气顶球”实验中，气流的出射方向可以不竖直向上。在实验过程中，将气流从竖直方向缓慢的移动使其与竖直方向偏离一定的角度仍可顶起乒乓球;其次，缓慢移动气柱是，乒乓球可用跟着移动，在缓慢移动的过程中，乒乓球会偏离流速大的中心轴线，流速差异所造成的压力差会推着乒乓球向中心轴线靠拢，所以乒乓球会跟着气流“走”。当然，这只局限在一定角度范围内。但在水顶球时，这是不可能实现的，只要水柱稍微动一下，乒乓球都会掉，就更不用说移动使其偏离一定角度;最后，由于“气顶球”实验是在空气进行，在气流碰到第一个乒乓球时，不会像水柱那样断裂，而是绕过乒乓球之后继续前行，保持了流体的连续性，因而可以通过改变乒乓球的质量办法来实现一根气柱顶起多个球，增加实验的观赏性。

另外，从器材上看，两实验用到的器材除了都是用乒乓球外，其它都是不一样的。在“水顶球”实验中，保持水箱的气密性和让水柱保持竖直状态，是实验成功的关键，特别是如何确保水箱的气密性，是很多实验者煞费苦心之所在。而这一点在“气顶球”实验中是不需要的。在表演时，气顶球相对来说比较灵活，而且具有多样性。