晃动与旋转中的秘密

江苏省金湖县实验中学 华庆富

一、晃动中上浮的乒乓球

将一个乒乓球埋进沙子里，乒乓球就会乖乖地呆在那里一动不动，如果不是事先知道，你根本不会想到沙子里有一个乒乓球正在睡大觉呢！可是如果你把装沙子的容器端起来轻轻地摇晃几下，嘿，一个圆溜溜的乒乓球就会浮出沙子表面。那副呆萌萌的面孔，似乎正在谴责你打扰了它的美梦呢。咦！为什么只要轻轻地晃动几下，乒乓球就会耐不住寂寞地从沙子里探出头来呢？

别急，让我们慢慢来分析其中的道理：沙子等这些细小的固体颗粒具有流动性，因此它们具有和水、空气等流体相同的性质，即能够对浸在其中的物体产生竖直向上的浮力。乒乓球在水中受到的浮力比其自身的重力大得多，所以它会一直上浮，直至漂浮在水面上。在沙子中，虽然乒乓球受到的浮力仍然大于重力，但是它却不会像在水中那样自动上浮，而是要轻轻摇晃才能上浮。这是因为沙子与乒乓球的接触面非常粗糙，乒乓球表面受到的摩擦力很大，而乒乓球想要向上运动，那么这种摩擦力的方向就是向下的，向下的摩擦力与重力之和等于浮力，所以乒乓球只能像孙悟空被压在五行山下一样，动弹不了！

现在我们再来回答为什么晃一晃就会使乒乓球浮上来的问题。因为在晃动前，虽然乒乓球具有向上运动的趋势，但是实际上并没有运动起来，所以此时它受到的是静摩擦力；在晃动过程中，沙子与乒乓球之间的摩擦变成了滚动摩擦，而同样条件下滚动摩擦力远小于滑动摩擦力，更小于最大静摩擦力，因此这时乒乓球受到的摩擦力与重力之和小于浮力，乒乓球就可以像孙悟空遇到唐僧一样得到解放了！

二、旋转中上升的火焰

将一个金属网眼状的垃圾桶放在转盘上，一个装入少量酒精的小容器（比如剪掉上面大部分只留下底部的易拉罐）放在垃圾桶的中央。为了安全起见，把酒精容器和垃圾桶都固定起来。接下来点火，可以看到点燃的酒精火焰高度烧到了垃圾桶三分之一的位置，如图1左图所示。然后开始转动这个转盘，随着转盘转动可以看到火焰也在摇摆，但它的高度很明显已经超过了垃圾桶，如图1右图所示。停止转动转盘，随着转速变小火焰开始变得稳定，并出现了一个特别漂亮的形态，像龙尾巴一样非常好看，让人感觉是火焰在跳舞。

图1

图2

为什么会出现这样的现象？不妨再让我们来分析一下。

如图2所示，通过垃圾桶上的金属网眼，氧气可以轻松穿过，以供酒精持续燃烧。但酒精在燃烧过程中一边会消耗氧气，一边又会将周边的空气加热上升，导致贴近火焰的空气流速大、压强小，而火焰外围的空气流速小、压强大。这一压强差使得在火焰中心形成向上的气流，从而让火焰有向上的力，旋转升高。