張軍

人類生活在空氣里，就像魚生活在水中。我們的呼吸離不開氣壓，抽水機(jī)抽水離不開氣壓，飛機(jī)上天也離不開氣壓。今天，我們就用常見器材，來做做有關(guān)大氣壓的實(shí)驗(yàn)。

證明大氣壓的存在

證明大氣壓存在的方法有很多。

最簡單的方法是找一個空飲料瓶，往里面加少許開水，晃動幾次后將水倒出去，同時迅速將瓶蓋擰緊。當(dāng)飲料瓶溫度降下來，瓶子便慢慢變形了，就像有一只無形的手將它壓縮、扭曲。這只“手”就是大氣壓。開水產(chǎn)生的水蒸氣“擠”走了瓶內(nèi)的“空氣原住民”，導(dǎo)致瓶內(nèi)氣體主要是水蒸氣。溫度下降造成瓶內(nèi)氣壓減小，水蒸氣液化為小水珠，導(dǎo)致瓶內(nèi)氣壓進(jìn)一步減小;瓶子外面的大氣壓毫不手軟，對瓶體實(shí)施了合圍、夾擊，導(dǎo)致飲料瓶被壓扁。同時我們也看到了，力可以使物體發(fā)生形變。

用吸盤掛鉤證明大氣壓的存在也很簡單。將兩個吸盤壓在一起，擠去中間的空氣，大氣壓就會讓它們緊緊相擁了。想直接向兩邊拉開它們，可要費(fèi)點(diǎn)力氣了（圖1）。

我們在生活中經(jīng)常使用吸盤裝置，比如吸盤掛鉤，可以掛個小毛巾、掛個啤酒扳手;比如浴室的防滑墊，底部遍布吸盤;比如吸盤球，往平整的物體表面一扔，就會“吸”上去，很是減壓;比如吸盤杯墊，可以讓杯子牢牢固定在水平或豎直的光滑物體表面（圖2）。現(xiàn)在就來問大家一個問題：吸盤被大氣壓壓在豎直墻壁上，掛上重物后，吸盤為什么不掉下來？有人可能會錯答為“因?yàn)榇髿鈮骸?，這說明沒有掌握物體受力分析的方法?！安坏粝聛怼钡暮x是“在豎直方向保持靜止”，所以在豎直方向上應(yīng)該“受力平衡”，向下的力是重物對吸盤的拉力和吸盤受到的重力，向上的力是墻壁施加的摩擦力！

如果有廣口瓶，同時也愿意損失一個雞蛋，我們還可以做一個“瓶口吞吐蛋”的實(shí)驗(yàn)。煮熟的雞蛋去殼備用，將開水倒進(jìn)廣口瓶，晃一晃再倒掉，趕走里面的空氣，然后將去了殼的雞蛋迅速放到瓶口。由于雞蛋的橫截面大于瓶口，所以雞蛋不會掉進(jìn)瓶內(nèi)。但隨著廣口瓶內(nèi)氣壓減小，外界大氣壓對雞蛋下手了。雞蛋慢慢被壓入瓶中，腰圍明顯變小（圖3）。如果想讓雞蛋快速進(jìn)入瓶內(nèi)，可以在瓶子外面澆冷水。如果不想讓雞蛋掉進(jìn)瓶子里拿不出來，可以見好就收，往瓶子外面澆熱水，瓶內(nèi)膨脹的空氣就會把雞蛋重新托舉出來。雞蛋經(jīng)歷了驚魂一刻，但是瘦身效果很明顯。做這個實(shí)驗(yàn)的前提是廣口瓶要能經(jīng)得住冷熱考驗(yàn)，普通瓶子可能會破裂。

利用大氣壓，我們可以把吸管當(dāng)成滴管使用。將吸管插入水中后，用手指堵住上面的管口，再把吸管從水中取出來，吸管里就會提起一段水柱，因?yàn)榇髿鈮旱拇嬖?，水柱不會掉落。用堵住管口的手指小心地控制管口的透氣量，吸管里的水就會一滴一滴落下來（圖4）。想獲得更長的水柱，我們可以使用長玻璃管。理論表明，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，這個水柱的最大長度是10.33米。

利用大氣壓，我們可以檢查塑料滴管的氣密性。用手指堵住捏扁的滴管口，若滴管不漏氣，則外界氣體無法進(jìn)入滴管內(nèi)，滴管乳頭就會保持變癟的狀態(tài);相反，如果乳頭恢復(fù)原狀了，就說明滴管有地方漏氣。

利用大氣壓，我們還可以用飲料瓶做個澆花器。用錐子在飲料瓶瓶底扎若干個小洞，倒入水后，水在重力作用下會從瓶底流出。這時把蓋子擰緊，瓶內(nèi)水面下降，導(dǎo)致水面上方空氣體積變大而氣壓減小，外界大氣壓就會把瓶底的小孔“捂住”，導(dǎo)致水流不出來。擰開蓋子，空氣進(jìn)入瓶內(nèi)，水又會流出來。這樣，流與不流就盡在掌握了（圖5）。當(dāng)瓶里水流完，我們可以向飲料瓶內(nèi)注水，也可以讓飲料瓶自己“吸水”——擰緊瓶蓋后，將瓶子捏扁，然后將瓶底浸入水中，松開手，飲料瓶在自身彈力作用下恢復(fù)原狀，導(dǎo)致瓶內(nèi)空間體積變大而氣壓減小，外界大氣壓就會將水從瓶底小孔壓進(jìn)瓶內(nèi)，澆花器就變成了吸水器。

針筒里的空氣

我們常說，用針筒可以“吸”取液體，其實(shí)科學(xué)的說法是，外界氣壓將液體“壓”進(jìn)針筒。當(dāng)抽動活塞時，活塞與注射器孔間的空間體積變大，導(dǎo)致氣壓小于外界大氣壓，液體就被“壓”進(jìn)針筒了。如果在針筒里吸入空氣，然后堵住注射孔，壓縮活塞，你會發(fā)現(xiàn)，空氣體積會減小，但是很快就壓不動了，這是因?yàn)榭諝夥肿娱g存在相互作用的斥力（圖6）。如果針筒足夠結(jié)實(shí)，你的力氣又足夠大，壓縮可能導(dǎo)致針筒里的氣體呈現(xiàn)“液態(tài)”。壓縮到不能壓縮時，突然松開活塞，被壓縮的空氣表現(xiàn)出一定彈性，會將活塞推開（圖7）。這個過程中，針筒內(nèi)空氣的內(nèi)能減小，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。如果有精密的溫度計測量，我們會發(fā)現(xiàn)膨脹后的空氣溫度下降了。炮彈出膛也是這個原理，火藥燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓氣體對彈頭做功，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為彈頭的機(jī)械能。這個過程在瞬間完成，功率很大。柴油機(jī)、汽油機(jī)的做功沖程也是這個原理，油料燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓氣體推動活塞，帶動連桿、曲軸轉(zhuǎn)動，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化來的機(jī)械能輸出。而壓縮氣體時，會導(dǎo)致空氣溫度升高，這時機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。給自行車打氣時，氣筒壁溫度會升高，這就是因?yàn)閴嚎s體積做功使空氣溫度升高，空氣又將“熱”傳給了氣筒壁。

空氣被壓縮后也會變“硬”。將吸管一端剪尖，然后將尖部戳向梨子，很難扎得深;如果用大拇指將另一端堵住，再扎向梨子，則可以扎得較深。大拇指與果肉在吸管內(nèi)制造了一段壓縮的空氣柱，使整體強(qiáng)度大大增加（圖8）。

將針筒的活塞推到底，讓注射孔朝上并堵住，向下拉活塞時會很費(fèi)力，因?yàn)槟惚仨毧朔饨绲拇髿鈮毫?。橫截面積為4平方厘米的活塞，受到的大氣壓力約為40牛。也就是說，即使在活塞下面掛4 千克的重物，活塞也會巋然不動。

在針筒里吸入一些熱水，堵住注射孔，迅速向外拉動活塞，你會看到針筒里的水沸騰了！這是因?yàn)?，拉動活塞時，水面上方氣壓減小，導(dǎo)致了水的沸點(diǎn)降低，在不到100℃的情況下，水也會沸騰。

在高壓鍋發(fā)明之前，高山上的居民是吃不到水煮肉的，水沸騰后再怎么加熱，溫度也保持不變，沸點(diǎn)低，導(dǎo)致肉煮不熟。但是他們可以吃烤肉，將肉直接架到火上烤，或者將肉鋪在石頭上，再用火給石頭加熱。

流動的空氣更好玩

我們已經(jīng)知道，當(dāng)流體流動起來時，壓強(qiáng)會減小，這樣我們就有了更多的玩法。

一般的玩法大家都會，往兩張紙中間吹氣，兩張紙反而靠近了;往兩個懸掛的氣球中間吹氣，氣球反而靠近了;將紙折一下放在桌面上，像個小屋頂，往“屋頂”下面輕輕吹氣，“屋頂”居然坍塌，貼在了桌面上（圖9）。

下面，再教你幾種動感十足的玩法。

點(diǎn)燃蠟燭，通過吸管向火焰旁吹氣，火焰會彎向吸管（圖10）。將吸管彎頭處折成90?，在豎直的管口上方放一個乒乓球，同時從水平的管口向內(nèi)吹氣。你猜怎么著？乒乓球會浮在管口上方，晃動、滾動、擺動，就是不掉下來。這是因?yàn)槠古仪蛳路降目諝饬魉僮兇?，氣壓減小，上方和四周的大氣壓會將乒乓球“握在掌心”，牢牢掌控（圖11）。

我們知道，將一個乒乓球塞進(jìn)漏斗口，用力從管口吸氣，大氣壓會把乒乓球壓在漏斗內(nèi)而不掉落。但是，如果從管口向內(nèi)吹氣呢？乒乓球也不會掉落，這同樣是因?yàn)槠古仪蛏厦娴目諝饬魉僮兇罅?，?dǎo)致氣壓減小，乒乓球下方的氣壓會將乒乓球壓在漏斗內(nèi)（圖12）。

剪兩截吸管，一截豎直插入水中，上面的吸管口離水面要近一些;另一截吸管水平放置，一端管口與豎直放置的吸管口垂直，從另一端向內(nèi)吹氣。猜猜會發(fā)生什么現(xiàn)象？豎直的吸管口空氣流速變大，氣壓減小，水面的氣壓會迫使水沿著吸管爬到管口，橫向的氣流則將爬出管口的水吹散，形成水霧——我們做出了一個口吹噴霧器（圖13）。如果背對著太陽，角度合適的話，還會看到水霧中的彩虹。下次就可以一邊給花噴水，一邊練肺活量，一邊欣賞彩虹了。

讓一個紙筒從高處掉落，通常情況下，紙筒會沿直線向下運(yùn)動。但是，如果讓紙筒一邊旋轉(zhuǎn)一邊下落呢？用寬一些的紙帶，將紙筒纏繞幾圈，拿到高處放手，紙筒便會一邊旋轉(zhuǎn)一邊下落了（圖14）。

如圖15，左側(cè)的空氣相對于紙筒的流速較大，因此氣壓較小;右側(cè)空氣相對于紙筒的流速較小，因此氣壓較大。這樣就產(chǎn)生了一個方向向左的氣壓差，紙筒在下落的同時，受到向左的大氣壓力，因此向左偏，軌跡呈現(xiàn)弧形。乒乓球的旋轉(zhuǎn)球和足球的“香蕉球”也是這個原理，調(diào)整施力的作用點(diǎn)和方向，讓球一邊旋轉(zhuǎn)一邊前進(jìn)，軌跡呈現(xiàn)弧形，會給對手的防守造成困難。

利用這個原理，我們可以把一次性紙杯變成飛行器。將兩個紙杯的底部粘在一起，并用雙面膠和紙帶固定，做成飛行器主體。將幾根橡皮筋連成長條，做成彈性發(fā)射器。左手握住飛行器左端的紙杯，并用大拇指壓住橡皮筋的一端;右手捏住橡皮筋的另一端，拉長后往下、往前，在紙杯中部繞2～3圈，斜向前上方用力，將飛行器射出。旋轉(zhuǎn)飛行的紙杯因下方空氣壓力大，獲得了一個向上的升力，可以在空中飛行一段時間（圖16）。同學(xué)們可以進(jìn)行比賽，看看哪個飛行器的滯空時間最長。也可以一個人發(fā)射，另一個人用手接住飛行器，變成兩人合作的游戲。

（責(zé)任編輯：白玉磊）