“水頂球”與“氣頂球”之異同

余小英，李凡生，黃 婷，易其順

(廣西民族師范學院 物理與電子工程系，廣西 崇左 532200)

在趣味物理實驗表演中，水頂球和氣頂球這兩個實驗都是老師和學生最喜歡的，具有很大的觀賞性。很多學過物理的人都知道，這兩個實驗涉及到的主要物理原理都是流體力學中的伯努利原理:流速大的地方壓強小，流速小的地方壓強大。實際情況僅此而已嗎?其實不然。這兩個實驗從實驗裝置、表演技巧、現(xiàn)象等方面還是存在很多不一樣的地方。了解兩者之間的異同能更好地學習和掌握相關的物理知識，制作出更精美、更具趣味性的實驗裝置。

1 “水頂球”與“氣頂球”演示實驗現(xiàn)象

1.1 水頂球

水頂球實驗如圖1所示，制作方法如下:選用了一個大水壺，在壺口處塞一個膠塞，膠塞上穿一個小孔，裝上自行車輪胎的氣門蕊;在壺的另一端也開一個孔，然后塞一個膠塞，在膠塞上穿一個小孔，小孔的一端裝尖嘴玻璃管(可用圓珠筆套管代替)，尖的那端朝上，小孔的另一端連一條細膠管，膠管的另一端要觸到壺的底部。之后在水壺中裝適量的水，再用打氣筒給水壺打氣，水壺中的水在氣壓的作用下，經(jīng)膠管有尖端開口處高速噴出，形成水柱。將乒乓球放在水柱出射端，水柱將給乒乓球一個向上的沖力，此時可以看到乒乓球作旋轉運動并沿水柱上升，當乒乓球上升到一定高度后就會一直停留在水柱旁不掉，而且不斷的旋轉，周圍水花飛濺，煞是好看。也可以對實驗裝置進行改進，采用分支管法(如圖2所示)，將一個水柱分為幾根水柱，這樣就可以同時觀察到幾個乒乓球同時被頂起的現(xiàn)象，增加實驗的觀賞性和趣味性。

1.2 氣頂球

“氣頂球”實驗裝置則簡單得多，直接用吹風筒作為氣源即可，有條件的話，使用氣墊導軌用的氣源效果更佳。出氣端直接連接膠管，將氣源開關打開，乒乓球放在氣流口上，則乒乓球會被氣流頂起來而不掉，而且乒乓球總在氣流中心軸線附近晃動?，F(xiàn)在，不讓氣流出射方向豎直向上，而是緩慢的將氣源出氣端移動使其偏離一定的角度，可以看到乒乓球不但沒有掉落，反而還跟著氣源“走”，當緩慢的將氣源的出氣端移回豎直方向時，乒乓球也乖乖的跟著回來，再將氣源緩慢的向其他方向移動使其偏離一定角度，乒乓球同樣會跟著“走”。但這個角度不能太大，否則乒乓球會掉落。如果觀察的仔細，可以發(fā)現(xiàn)乒乓球是旋轉著走的，待氣柱停止移動，保持一定角度時，乒乓球也不再是在氣流中心軸線附近晃動，而是不停的做旋轉運動。這是一個氣柱頂起一個球的實驗。

“氣頂球”實驗還可以進行“一氣頂多球”［1］28這樣的改進，實現(xiàn)了一個氣柱頂起多個乒乓球(如圖3所示)。用鐵架臺固定好，并使氣流出射方向豎直向上;用注射器將在乒乓球內(nèi)注入少量的水，將其放在氣柱上，根據(jù)實驗成功的條件，調(diào)節(jié)水的注入量;另取一個乒乓球，采取同樣的方法來改變其質(zhì)量;在氣柱上做檢驗，控制水的注入量，使其能懸浮在第一個球的上方;其它的乒乓球的制作方法依次類推，最后一個乒乓球不注入水;調(diào)節(jié)好各乒乓球內(nèi)的注水量后，再用502膠水將針眼封住，以防在乒乓球的水在旋轉過程中把水甩出。采用這種注水的方法，就可以實現(xiàn)一個氣柱同時頂起多個球。

2 “水頂球”與“氣頂球”之異同

2.1 “水頂球”與“氣頂球”的相同之處

“水頂球”與“氣頂球”的相同之處就是兩者主要運用的原理都是流體力學中的伯努利原理:［2］355流速V大的地方壓強P小，流速V小的地方壓強P大。當向上的氣流或水流遇到乒乓球時，會對乒乓球產(chǎn)生向上的沖力，乒乓球在上升的過程中會偏離流體的中心軸線(流速最大處)，水流或氣流從球的旁邊流過，而流體中心軸線的流速最大，壓強最小;離中心軸線越遠，流速越小，壓強越大。因此，乒乓球會受到流體壓力是指向中心軸線的壓力，使得乒乓球總是貼近中心軸線。這樣就使得乒乓球受到氣流或水流持續(xù)往上的沖力，與球所受到的重力構成一個奇妙的平衡，從而把乒乓球頂起。

2.2 “水頂球”與“氣頂球”的不同之處

2.2.1 實驗現(xiàn)象和原理的區(qū)別

從實驗現(xiàn)象和原理上看，在“水頂球”實驗中，當豎直向上的水柱遇到乒乓球時，水柱從乒乓球的一側面以小球邊沿的切線方向流過，根據(jù)伯努利原理:流速大的地方壓強小，流速小的地方壓強大。由于水流不斷地從乒乓球的一側流過時流速較大，使得遠離水流的另一側壓強大，從而產(chǎn)生一個壓力差，在壓力差的作用下，乒乓球被壓在水柱上，看到的現(xiàn)象就是乒乓球貼在水柱的旁邊。在“水頂球”實驗中，當水柱遇到乒乓球時，水柱將從乒乓球一側的切線方向流過，給乒乓球一個向上的沖力F，此沖擊力F的方向并不是在乒乓球的重心“O”點位置，而是偏離O點，如圖4所示。由于沖力F和重力G不是在同一條直線上，而是產(chǎn)生一個力矩，乒乓球受到力矩的作用后，乒乓球就一邊轉動一邊上升。當沖力F與乒乓球的重力G在豎直方向上平衡時(大小相等，方向相反時)，乒乓球將停留在那里，并不停的作旋轉運動，其轉動軸是垂直于水柱和球心所構成的豎直平面。

而在“氣頂球”實驗中，當豎直向上的氣流遇到乒乓球時，因為空氣的密度小于乒乓球的密度，并由于空氣的粘滯力的存在，氣流從乒乓球的四周流過，因此，乒乓球在氣流的中心軸線位置。在“氣頂球”實驗中，當豎直向上的氣流遇到乒乓球時，氣流從乒乓球的旁邊流過，在球的四周對球產(chǎn)生了斜向上的壓力，……，如圖5，這些壓力的合力方向豎直向上。當這個合力等于球的重力G時，乒乓球就被穩(wěn)穩(wěn)地頂起來。但是，由于乒乓球的位置不是一成不變的，一但有輕微的擾動則會偏離氣流中心軸線。對于氣流，由于粘滯力的存在，氣流中心軸線的流速最大，離氣流中心軸線越遠，流速越小。由伯努利原理可知，氣流中心軸線的壓強最小，離氣流中心軸線越遠，壓強越大。因此，乒乓球每時每刻都會受到四周氣體指向中心軸線的壓力，這些壓力的作用迫使乒乓球只能在氣流中心軸線附近晃動。就像有一雙無形的手把乒乓球托起。

通過實驗觀察、分析可知，水頂球時，乒乓球因受一力矩作用而不斷地做旋轉運動，并帶動周圍的水流和空氣一起旋轉，乒乓球的受力可以看作是在一個豎直平面內(nèi)的;氣頂球時，乒乓球因時時刻刻受到氣流向中心軸線的壓力，這些力是包圍著乒乓球的，可以說是立體的，球體只是不斷地在氣流中心軸線附近晃動，因而具有很好的穩(wěn)定性。當然，緩慢的移動氣源出氣端使其出射方向偏離豎直方向一定角度時，乒乓球同樣與水頂球時那樣做旋轉運動，但它們的原理卻不同。在氣柱移動的過程中，乒乓球兩邊的流速不等，氣流是不停的從乒乓球兩邊流過而不斷地摩擦著乒乓球的，在這過程中，流速大的地方摩擦力大，流速小的地方摩擦力小，摩擦力大的地方使乒乓球向摩擦力小的一邊運動，從而使乒乓球做旋轉運動。向其它方向偏也是一樣的原理。當然，這只限定在一定角度范圍內(nèi)，如果超出了這一角度范圍，乒乓球就會掉落。如果氣流流速不夠大，也是很難成功的。所以，氣流的出射方向偏離豎直方向一定角度時，乒乓球做旋轉運動的原理，與水頂球時乒乓球旋轉的原理是不一樣的。

2.2.2 實驗操作層面上的區(qū)別

首先，在“水頂球”實驗中，水柱的出射方向必須豎直向上，否則，乒乓球會掉落。究其原因，如若水柱是傾斜的，它對乒乓球所產(chǎn)生的沖力就是斜往上的，這個力會產(chǎn)生一個水平方向的分力，是乒乓球偏離水柱，最終掉落;其次，“水頂球”實驗中，一根水柱只能頂起一個球。其中的原因是:由于水的密度遠大于空氣的密度，當它頂起一個乒乓球之后，水柱就已經(jīng)是斷裂的，并且在離心力的作用下四處飛濺，不再連續(xù)，形不成頂起第二個乒乓球的水柱。

在“氣頂球”實驗中，氣流的出射方向可以不豎直向上。在實驗過程中，將氣流從豎直方向緩慢的移動使其與豎直方向偏離一定的角度仍可頂起乒乓球;其次，緩慢移動氣柱是，乒乓球可用跟著移動，在緩慢移動的過程中，乒乓球會偏離流速大的中心軸線，流速差異所造成的壓力差會推著乒乓球向中心軸線靠攏，所以乒乓球會跟著氣流“走”。當然，這只局限在一定角度范圍內(nèi)。但在水頂球時，這是不可能實現(xiàn)的，只要水柱稍微動一下，乒乓球都會掉，就更不用說移動使其偏離一定角度;最后，由于“氣頂球”實驗是在空氣進行，在氣流碰到第一個乒乓球時，不會像水柱那樣斷裂，而是繞過乒乓球之后繼續(xù)前行，保持了流體的連續(xù)性，因而可以通過改變乒乓球的質(zhì)量辦法來實現(xiàn)一根氣柱頂起多個球，增加實驗的觀賞性。

另外，從器材上看，兩實驗用到的器材除了都是用乒乓球外，其它都是不一樣的。在“水頂球”實驗中，保持水箱的氣密性和讓水柱保持豎直狀態(tài)，是實驗成功的關鍵，特別是如何確保水箱的氣密性，是很多實驗者煞費苦心之所在。而這一點在“氣頂球”實驗中是不需要的。在表演時，氣頂球相對來說比較靈活，而且具有多樣性。

3 結束語

“水頂球”和“氣頂球”是非常類似的兩個實驗，所運用的主要物理原理都是流體力學中的伯努利原理，但兩實驗演示的實驗器材、實驗現(xiàn)象和實驗原理并不完全相同。探究兩者之間的異同，不但有利于掌握更多的物理知識，而且有利于培養(yǎng)實驗者的探究精神和能力。

［1］李凡生.一氣頂多球［J］.物理教學，2011(1).

［2］漆安慎，杜蟬英.普通物理學教程力學［M］.北京:高等教育出版社，2000.