啤酒瓶倾角和瓶内压强影响瓶内液体流速的实验探究

郭宇琛

摘要：啤酒瓶倒液体时，在啤酒瓶颈会产生周期振荡的“瓶颈效应”，并且瓶中存在大量的气体导致瓶内压强远大于大气压，如何使瓶中的液体更快流出，本实验不仅研究了啤酒的倾角对液体流出速率的影响，还探究了瓶中压强对液体流出速率的影响。实验表明，瓶颈效应在倾倒角度大于某一角度时出现；随倾倒角度增大，啤酒流出的速率呈现出先增大后减小的趋势，瓶中压强会直接影响倒出啤酒的时间，并不会改变倾角对速率的影响，使啤酒更少受到瓶颈效应的影响。当倾角不变时，压强变大，液体流出的速率变快。

关键词：啤酒瓶倾角；啤酒；压强；瓶颈效应；空泡

一、选题依据

在啤酒节中，观看比赛喝啤酒的场景时，我想到如何让啤酒更快地从啤酒瓶中倾倒出。在亲自动手实验的过程中，发现倾角低的明显比倾角高的流速慢，但是倾角越高又会有空泡阻碍啤酒的流出。因此我心中便产生了疑惑：到底怎么样才能使啤酒瓶中的啤酒更快流出呢？我查找了许多国内外的论文，发现倾角和压强可以改变液体的“瓶颈效应”，进而改变液体的流速。因此我想到了探究“瓶颈效应”对流速的影响，找到倾角和压强对流速的影响。

1.新颖性

应用理论新：实验中运用到了“瓶颈效应”理论，目前在这一领域研究的人较少，尚未有人通过角度和压强来探究“瓶颈效应”。

2.先进性

我通过实验找出了细颈瓶中倒出有压强和无压强的液体的最合适倾角，这是以前没有人找到的，通过研究有压强的液体，能更好地将“瓶颈效应”广泛运用到生活中，方便人们的生活，搭建了理论和现实之间的桥梁。

3.实用性

本实验通过探究在细颈容器中液体最快速度流出的倾倒角度，有利于瓶装液体产品工厂灌装工序过程中降低时间成本，减少原材料浪费，从而提供生产率，产生巨大的经济效益，例如：瓶装醋、瓶装酱油、啤酒、可乐……当倾倒角度在临界情况角度周围可以减少啤酒倒出时的气泡。在军事方面，可以减少坦克在战场补给时间，加快坦克加油速度。

二、基本原理

啤酒瓶向外倾倒液体的过程中，在啤酒瓶颈部会出现液体与气体交替进出啤酒瓶、流体流动产生间歇振荡的复杂两相流动现象，将此现象定义为“瓶颈效应”。在啤酒瓶倒酒的过程中，瓶口会产生大量有空气组成的气泡，称为“空泡”，空泡会阻塞液体流出速率，也就是当啤酒瓶倾角达到最大却速率不是最大的主要原因。因此通过分析倾角和压强对瓶颈效应的影响可以直接影响液体倾倒速率。当瓶颈效应发生时，液体充满瓶颈截面流出容器，造成容器内压强降低；当容器内外压力差达到一定程度时，气体在大气压作用下进入瓶颈生成气泡平衡压力差，同时减少了液体的流通面积和流动速度；随着瓶内外压力差减少，液体通流面积和流动速度逐渐增大，直至压力差不足以将气体挤入瓶颈时，液体充满整个瓶颈，将再次重复上述流动过程，形成液体的周期性间歇流动。

三、实验过程

1.仪器材料

2.实验步骤

实验一：测量啤酒瓶压强

快速开启瓶盖，用气球口盖住啤酒瓶瓶口，可以明显看到压强计中的墨水变化，通过墨水的高度差h，用公式p pgh得到啤酒瓶開启时的压强为686pa；

实验二：在不同倾角下，测量啤酒瓶中倾倒水的速率

组装仪器，通过摄像机拍摄，可以得到启封瓶口时（水开始流动）到无水滴流出时的时间t；通过将细颈容器总容积和量筒测量的剩余水的体积作差，可以获得流出容器的净水量v，通过V/t求出整个流动过程的平均流量。

实验三：在不同倾角下，测量啤酒瓶中倾倒啤酒的速率

组装仪器，通过摄像机拍摄，可以得到启封瓶口时（啤酒开始流动）到无啤酒流出时的时间t；通过将细颈容器总容积和量筒测量的剩余啤酒体积作差，可以获得流出容器的净水量v，通过V/t求出整个流动过程的平均流量。

3.实验结果

从测量的啤酒倒出时间我们可以直观感受出160°的用时最少。

通过测量啤酒瓶压强，可得知啤酒倾倒与水倾倒不同，啤酒会产生气泡使得瓶中压强增大。

在本实验条件下，实验观测得到瓶颈效应发生的临界角度为86°，即当倾倒角度为85°时瓶口处有微量水流出，但是瓶颈及容器内不产生气泡；只有当倾倒角度达到86°时，容器内开始产生空泡，并伴随液面间歇性振荡，即产生瓶颈效应。

实验中发现，空泡随着时间的增加，没有产生瓶颈效应，没有一个完整的气泡在瓶口形成，当第一个空泡快形成时，啤酒瓶上部分形成一个空气柱，将空气和水分开，此时的速率是最慢的，流量也是最小的，此时的啤酒流速更平稳，这个倾角更适合在公共场合倒啤酒，因为此时速率最小，所以由流体力学伯努利定律得到压强减小的慢，二氧化碳冒出的少。

由实验数据发现随着时间的增加，啤酒的速率是增加的，从90。开始能看见明显的气泡，并且这些空泡会带动啤酒形成气化核心，能持续的在瓶底产生气泡，在10秒前增大压强，在90°一100°的实验中发现到了10秒后压强不再影响啤酒速率，因为啤酒流出的速率快，导致了瓶子底部的体积变大，但是气泡冒出的速率慢，所以瓶底的压强逐渐变小。

随着倾角的增加，发现由重力主导的部分时间变少，从105°开始发现水流是快慢交替的周期性流出，其中慢的时候是有大量空泡堵在瓶口，当角度到达了160°，空泡和水流达到平衡，此时的水流流出速率达到最快。

150°时一共出现了九个空泡；160°时，啤酒瓶中一共出现了八个空泡；175°时过了1.404秒出现第一个空泡，之后就不再出现空泡。说明了空泡太多会阻碍啤酒下流，空泡太少又会使速率变慢，160°时八个空泡是最佳的情况，因此160°时，啤酒流出速率达到最快。我对比了用水做的倾倒实验，发现得到一致的结论，说明了压强并不会改变倾角对速率的影响。在opa和686pa（啤酒瓶内压强）时，160°都是最快的倾角。当倾角不变时，压强变大，液体流出的速率变快。

四、实验结果

1.实验表明，瓶颈效应在倾倒角度大于某一角度时出现，本实验中该角度为86°。

2.当角度增加，啤酒流出的速率呈现出先增大后减小的趋势，啤酒的流出速率最大值时所对应的角度为160°。

3.瓶中压强会直接影响倒出啤酒的时间，并不会改变倾角对速率的影响，使啤酒更少受到瓶颈效应的影响。在0pa和686pa（啤酒瓶内压强）时，160°都是最快的倾角。当倾角不变时，压强变大，液体流出的速率变快。