郭宇琛

摘要：啤酒瓶倒液體時，在啤酒瓶頸會產(chǎn)生周期振蕩的“瓶頸效應(yīng)”，并且瓶中存在大量的氣體導(dǎo)致瓶內(nèi)壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于大氣壓，如何使瓶中的液體更快流出，本實(shí)驗不僅研究了啤酒的傾角對液體流出速率的影響，還探究了瓶中壓強(qiáng)對液體流出速率的影響。實(shí)驗表明，瓶頸效應(yīng)在傾倒角度大于某一角度時出現(xiàn)；隨傾倒角度增大，啤酒流出的速率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，瓶中壓強(qiáng)會直接影響倒出啤酒的時間，并不會改變傾角對速率的影響，使啤酒更少受到瓶頸效應(yīng)的影響。當(dāng)傾角不變時，壓強(qiáng)變大，液體流出的速率變快。

關(guān)鍵詞：啤酒瓶傾角；啤酒；壓強(qiáng)；瓶頸效應(yīng)；空泡

一、選題依據(jù)

在啤酒節(jié)中，觀看比賽喝啤酒的場景時，我想到如何讓啤酒更快地從啤酒瓶中傾倒出。在親自動手實(shí)驗的過程中，發(fā)現(xiàn)傾角低的明顯比傾角高的流速慢，但是傾角越高又會有空泡阻礙啤酒的流出。因此我心中便產(chǎn)生了疑惑：到底怎么樣才能使啤酒瓶中的啤酒更快流出呢？我查找了許多國內(nèi)外的論文，發(fā)現(xiàn)傾角和壓強(qiáng)可以改變液體的“瓶頸效應(yīng)”，進(jìn)而改變液體的流速。因此我想到了探究“瓶頸效應(yīng)”對流速的影響，找到傾角和壓強(qiáng)對流速的影響。

1.新穎性

應(yīng)用理論新：實(shí)驗中運(yùn)用到了“瓶頸效應(yīng)”理論，目前在這一領(lǐng)域研究的人較少，尚未有人通過角度和壓強(qiáng)來探究“瓶頸效應(yīng)”。

2.先進(jìn)性

我通過實(shí)驗找出了細(xì)頸瓶中倒出有壓強(qiáng)和無壓強(qiáng)的液體的最合適傾角，這是以前沒有人找到的，通過研究有壓強(qiáng)的液體，能更好地將“瓶頸效應(yīng)”廣泛運(yùn)用到生活中，方便人們的生活，搭建了理論和現(xiàn)實(shí)之間的橋梁。

3.實(shí)用性

本實(shí)驗通過探究在細(xì)頸容器中液體最快速度流出的傾倒角度，有利于瓶裝液體產(chǎn)品工廠灌裝工序過程中降低時間成本，減少原材料浪費(fèi)，從而提供生產(chǎn)率，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，例如：瓶裝醋、瓶裝醬油、啤酒、可樂……當(dāng)傾倒角度在臨界情況角度周圍可以減少啤酒倒出時的氣泡。在軍事方面，可以減少坦克在戰(zhàn)場補(bǔ)給時間，加快坦克加油速度。

二、基本原理

啤酒瓶向外傾倒液體的過程中，在啤酒瓶頸部會出現(xiàn)液體與氣體交替進(jìn)出啤酒瓶、流體流動產(chǎn)生間歇振蕩的復(fù)雜兩相流動現(xiàn)象，將此現(xiàn)象定義為“瓶頸效應(yīng)”。在啤酒瓶倒酒的過程中，瓶口會產(chǎn)生大量有空氣組成的氣泡，稱為“空泡”，空泡會阻塞液體流出速率，也就是當(dāng)啤酒瓶傾角達(dá)到最大卻速率不是最大的主要原因。因此通過分析傾角和壓強(qiáng)對瓶頸效應(yīng)的影響可以直接影響液體傾倒速率。當(dāng)瓶頸效應(yīng)發(fā)生時，液體充滿瓶頸截面流出容器，造成容器內(nèi)壓強(qiáng)降低；當(dāng)容器內(nèi)外壓力差達(dá)到一定程度時，氣體在大氣壓作用下進(jìn)入瓶頸生成氣泡平衡壓力差，同時減少了液體的流通面積和流動速度；隨著瓶內(nèi)外壓力差減少，液體通流面積和流動速度逐漸增大，直至壓力差不足以將氣體擠入瓶頸時，液體充滿整個瓶頸，將再次重復(fù)上述流動過程，形成液體的周期性間歇流動。

三、實(shí)驗過程

1.儀器材料

2.實(shí)驗步驟

實(shí)驗一：測量啤酒瓶壓強(qiáng)

快速開啟瓶蓋，用氣球口蓋住啤酒瓶瓶口，可以明顯看到壓強(qiáng)計中的墨水變化，通過墨水的高度差h，用公式p pgh得到啤酒瓶開啟時的壓強(qiáng)為686pa；

實(shí)驗二：在不同傾角下，測量啤酒瓶中傾倒水的速率

組裝儀器，通過攝像機(jī)拍攝，可以得到啟封瓶口時（水開始流動）到無水滴流出時的時間t；通過將細(xì)頸容器總?cè)莘e和量筒測量的剩余水的體積作差，可以獲得流出容器的凈水量v，通過V/t求出整個流動過程的平均流量。

實(shí)驗三：在不同傾角下，測量啤酒瓶中傾倒啤酒的速率

組裝儀器，通過攝像機(jī)拍攝，可以得到啟封瓶口時（啤酒開始流動）到無啤酒流出時的時間t；通過將細(xì)頸容器總?cè)莘e和量筒測量的剩余啤酒體積作差，可以獲得流出容器的凈水量v，通過V/t求出整個流動過程的平均流量。

3.實(shí)驗結(jié)果

從測量的啤酒倒出時間我們可以直觀感受出160°的用時最少。

通過測量啤酒瓶壓強(qiáng)，可得知啤酒傾倒與水傾倒不同，啤酒會產(chǎn)生氣泡使得瓶中壓強(qiáng)增大。

在本實(shí)驗條件下，實(shí)驗觀測得到瓶頸效應(yīng)發(fā)生的臨界角度為86°，即當(dāng)傾倒角度為85°時瓶口處有微量水流出，但是瓶頸及容器內(nèi)不產(chǎn)生氣泡；只有當(dāng)傾倒角度達(dá)到86°時，容器內(nèi)開始產(chǎn)生空泡，并伴隨液面間歇性振蕩，即產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)。

實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)，空泡隨著時間的增加，沒有產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，沒有一個完整的氣泡在瓶口形成，當(dāng)?shù)谝粋€空泡快形成時，啤酒瓶上部分形成一個空氣柱，將空氣和水分開，此時的速率是最慢的，流量也是最小的，此時的啤酒流速更平穩(wěn)，這個傾角更適合在公共場合倒啤酒，因為此時速率最小，所以由流體力學(xué)伯努利定律得到壓強(qiáng)減小的慢，二氧化碳冒出的少。

由實(shí)驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)隨著時間的增加，啤酒的速率是增加的，從90。開始能看見明顯的氣泡，并且這些空泡會帶動啤酒形成氣化核心，能持續(xù)的在瓶底產(chǎn)生氣泡，在10秒前增大壓強(qiáng)，在90°一100°的實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)到了10秒后壓強(qiáng)不再影響啤酒速率，因為啤酒流出的速率快，導(dǎo)致了瓶子底部的體積變大，但是氣泡冒出的速率慢，所以瓶底的壓強(qiáng)逐漸變小。

隨著傾角的增加，發(fā)現(xiàn)由重力主導(dǎo)的部分時間變少，從105°開始發(fā)現(xiàn)水流是快慢交替的周期性流出，其中慢的時候是有大量空泡堵在瓶口，當(dāng)角度到達(dá)了160°，空泡和水流達(dá)到平衡，此時的水流流出速率達(dá)到最快。

150°時一共出現(xiàn)了九個空泡；160°時，啤酒瓶中一共出現(xiàn)了八個空泡；175°時過了1.404秒出現(xiàn)第一個空泡，之后就不再出現(xiàn)空泡。說明了空泡太多會阻礙啤酒下流，空泡太少又會使速率變慢，160°時八個空泡是最佳的情況，因此160°時，啤酒流出速率達(dá)到最快。我對比了用水做的傾倒實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)得到一致的結(jié)論，說明了壓強(qiáng)并不會改變傾角對速率的影響。在opa和686pa（啤酒瓶內(nèi)壓強(qiáng)）時，160°都是最快的傾角。當(dāng)傾角不變時，壓強(qiáng)變大，液體流出的速率變快。

四、實(shí)驗結(jié)果

1.實(shí)驗表明，瓶頸效應(yīng)在傾倒角度大于某一角度時出現(xiàn)，本實(shí)驗中該角度為86°。

2.當(dāng)角度增加，啤酒流出的速率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，啤酒的流出速率最大值時所對應(yīng)的角度為160°。

3.瓶中壓強(qiáng)會直接影響倒出啤酒的時間，并不會改變傾角對速率的影響，使啤酒更少受到瓶頸效應(yīng)的影響。在0pa和686pa（啤酒瓶內(nèi)壓強(qiáng)）時，160°都是最快的傾角。當(dāng)傾角不變時，壓強(qiáng)變大，液體流出的速率變快。