陸寧娟

摘 要：物理教學(xué)中僅限于介紹課本上的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)這個(gè)時(shí)代的要求的，筆者在職高力學(xué)部分的內(nèi)容結(jié)束后一般會(huì)選一、兩個(gè)學(xué)生感興趣的話題以興趣小組的形式開展一些課外活動(dòng)，本文闡述的即是筆者在興趣活動(dòng)過程中對(duì)有關(guān)流體力學(xué)方面的一些常見而又有趣的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：伯努利方程；吹幣入杯；滾落的圓柱；打轉(zhuǎn)的紙片

中圖分類號(hào)：G622 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1002-7661（2016）12-255-02

（2）由上述公式可知，伯努利方程的核心內(nèi)容是：在流體中壓強(qiáng)跟流速有關(guān)，速度大的地方流速小，速度小的地方壓強(qiáng)大。知道了壓強(qiáng)和流速的關(guān)系，就可以解釋生活中遇到的有關(guān)物理現(xiàn)象。如經(jīng)過物體（例如飛機(jī)）上下兩個(gè)表面的氣流速度不等，則上下兩表面就會(huì)壓強(qiáng)差，這就是飛機(jī)為什么能飛上太空的原理。同樣，下面幾個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也都可以用伯努利方程來解釋。

一、吹幣入杯

實(shí)際操作過程如圖1所示，朝著硬幣上方用力吹氣，硬幣上方的空氣由于迅速流動(dòng)而使壓強(qiáng)變小，這樣，硬幣下方的空氣壓強(qiáng)大于上方的壓強(qiáng)，就把硬幣托起并隨氣流一起向前運(yùn)動(dòng)。這就是我們能觀察到的想象：硬幣向前“跳”了起來，然后落入杯中。這在道理上不難解釋，但大家如果沒有做過或看到過可能不太相信，硬幣能跳那么高嗎？如果你從未嘗試過，通常一開始只能把硬幣吹起3～5cm左右，也就是 一盤子的高度。只要稍加訓(xùn)練，掌握了吹氣的要領(lǐng)，將一枚硬幣吹進(jìn)一只普通的高度約在8至12cm的杯子不是什么難事。不管信不信，建議你試一下，無論是1角幣還是1元幣，都能達(dá)到這一高度。

二、滾落的圓柱

如圖2所示，一圓柱體沿斜面滾下，然后從水平桌面上滾落下來，其落地點(diǎn)A比圓柱體不旋轉(zhuǎn)時(shí)（做平拋運(yùn)動(dòng)）的落地點(diǎn)P，距桌邊的水平距離是近還是遠(yuǎn)呢？從圖中可以看出，圓柱體在滾落過程中，由于圓柱體的旋轉(zhuǎn)，圓柱體下方的氣流相對(duì)流速要大于圓柱體上方的氣流流速。因此圓柱體受到一個(gè)偏向下的壓力差。因此，圓柱體的落點(diǎn)A距桌邊M更近些，即由于圓柱體的旋轉(zhuǎn)，其落地時(shí)的水平位移比其不旋轉(zhuǎn)時(shí)要小，其運(yùn)動(dòng)的軌跡比原來更彎曲。如果圓柱體的旋轉(zhuǎn)方向物理教學(xué)中僅限于介紹課本上的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)這個(gè)時(shí)代的要求的，筆者在高一力學(xué)部分的內(nèi)容結(jié)束后一般會(huì)選一、兩個(gè)學(xué)生感興趣的話題以興趣小組的形式開展一些課外活動(dòng)，本文闡述的即是筆者在興趣活動(dòng)過程中對(duì)有關(guān)流體力學(xué)方面的一些常見而又有趣的現(xiàn)象。發(fā)生改變，那么上述情況正好相反。

跟上面情況類似的就是乒乓中打出的旋轉(zhuǎn)球，如圖3，當(dāng)乒乓球沒有旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖中A所示，當(dāng)乒乓球旋轉(zhuǎn)著前進(jìn)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡就要發(fā)生變化， 圖中B是乒乓球上旋時(shí)的（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）的情況，從圖中可以看出由于乒乓球的旋轉(zhuǎn)使乒乓球在運(yùn)動(dòng)過程中受到了向下的壓強(qiáng)，差，改變了它原來的運(yùn)動(dòng)軌跡，使其運(yùn)動(dòng)曲線比原來更彎曲，水平位移也比原來縮短了。在發(fā)下旋球時(shí)，乒乓球的運(yùn)動(dòng)情況正好跟上旋相反，稱為弧旋球。在足球比賽中也有類似的情況，在踢球時(shí)同時(shí)使足球快速旋轉(zhuǎn)，從而使足球的運(yùn)動(dòng)軌跡富于變化，這樣的球稱為弧線球或香蕉球，這種球往往能夠繞過對(duì)方的球員飛入球門之中。

三、打轉(zhuǎn)的紙片

當(dāng)一張長方形的紙條從空中自由飄落時(shí)，通常會(huì)一面自身旋轉(zhuǎn)，一面偏向一邊飄落，如圖4。這是什么道理呢？這個(gè)問題也可以用伯努利方程來分析：旋轉(zhuǎn)著的紙片可以近似地等效成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓柱體，如圖5。設(shè)圓柱體沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)下落，對(duì)圓柱體來說，相對(duì)氣流方向向上。從圖中可以看出，由于圓柱體的旋轉(zhuǎn)，右側(cè)氣流速度大于左側(cè)，因此左側(cè)的壓強(qiáng)大于右側(cè)的壓強(qiáng)，圓柱體受到向右的壓強(qiáng)的壓強(qiáng)差的作用，運(yùn)動(dòng)方向就會(huì)向右偏離。

那么紙片開始是如何進(jìn)入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的呢？其旋轉(zhuǎn)方和下落時(shí)的偏離方向又有什么關(guān)系？對(duì)于后者我們已經(jīng)知道，其下落過程中的偏離方向跟紙條的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，我們主要討論紙條是如何進(jìn)入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的。假設(shè)開始時(shí)把紙條向右傾斜著然后放手，如圖6，則紙條前段下方的氣流受到氣壓流速低于上方的的氣流速度，因此，前段受到向上的壓力差，從而使紙條在下落過程中受到一個(gè)逆時(shí)針方向的力矩，紙條便沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。由前面的分析可得出結(jié)論：紙條的偏落方向由紙條的旋轉(zhuǎn)方向決定，而紙條的自旋方向由紙條開始下落時(shí)的初始狀態(tài)即紙條的傾斜方向決定。例如，開始時(shí)把紙條向左傾斜后放手，紙條就旋轉(zhuǎn)著向左飄落。紙條飄落實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)：

（1）提高紙條下落的穩(wěn)定性。有時(shí)由于紙條大小形狀、比例不合適，對(duì)稱性差，及受到氣流的影響和干擾等原因，從而失去運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，甚至出現(xiàn)類似飛機(jī)失速進(jìn)入螺旋狀態(tài)下落。改進(jìn)方法如圖7所示：

將紙條兩端對(duì)稱折一小段直角邊，類似于飛機(jī)的垂直尾翼，可以提高紙條運(yùn)動(dòng)過程的平衡性。

（2）紙條的大小、形狀等雖無嚴(yán)格限制，但對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如自旋的快慢、飄落的運(yùn)動(dòng)軌跡等都有一定影響。例如，紙條較小，紙條寬度較窄時(shí)，自旋轉(zhuǎn)快；紙條較大，較寬時(shí)，自旋轉(zhuǎn)慢。

如果將紙條如圖8折成直角，則紙條飄落時(shí)不再旋轉(zhuǎn)，當(dāng)紙條不太長時(shí)，它會(huì)折口向上平穩(wěn)地垂直落下。如紙條過大，則有可能失去平衡，翻滾著落下。其分析要簡單一些，大家不妨親自實(shí)踐一下，也許會(huì)有一些新的發(fā)現(xiàn)?？傊诶貌匠谭治雠c流體力學(xué)有關(guān)的問題時(shí)，必須牢牢抓住伯努利方程的特點(diǎn)，才能抓住問題的要害，將其規(guī)律和特點(diǎn)分析清楚。