“火龍卷”形成原理的模擬實驗

火龍卷是一種像龍卷風似的具有強烈熱量，處于中空燃燒狀態的巨大火焰。它給人們的生命安全帶來嚴重的危害，也給火災的救援工作帶來巨大的困難。如果我們能夠更加清楚地了解火龍卷發生的成因和原理，就能夠更好地防范和控制火龍卷的發生，從而將火龍卷帶來的傷害降低到最小程度。

概述

日前，電視臺的科教頻道播放一部講述“火龍卷”的專題科教片。自然界的火龍卷大多形成于森林火災或草原火災，它是一種像龍卷風似的具有強烈熱量，處于中空燃燒狀態的巨大火焰。它在地面生成，快速侵襲它所到達的區域，是森林火災和草原火災過程中的特殊燃燒現象。它給火災的救援工作帶來難度，給撲火人員的人身安全帶來嚴重的危害。

看過這部專題科教片以后，筆者深深的被大自然的神奇力量所折服。同時也在想，如果我們能夠更加清楚地了解火龍卷發生的成因和原理，是不是就能夠更好地防范和控制火龍卷的發生，從而將火龍卷帶來的傷害降低到最小程度呢？

帶著這個疑問，筆者開始在網上搜索關于火龍卷的相關資料，并依照網上資料提示的信息，模擬了一個小型火龍卷的生成實驗。

研究原因

在實驗室模擬火龍卷產生的現象，了解火龍卷發生的成因和原理，從而更好地防范和控制火龍卷的發生，將火龍卷帶來的傷害降低到最小程度。

研究方法

實驗道具

1）桶型玻璃杯一個；2）小型切割機一部；3）小型燃燒器皿一個；4）100mL酒精；5）點火器（或打火機）一個。

實驗過程

1）將玻璃杯的底部切割下來，將玻璃杯沿對稱線切割成大小形狀相同的兩半（如圖3）。（注意：玻璃杯的切割須由指導老師或家長完成）

3）用點火器（或打火機）點燃小型燃燒器皿中的酒精（如圖5）。

4）將切割成兩半的玻璃杯拼接成完整的玻璃杯形狀，罩在小型燃燒器皿上（如圖6），此時觀察到燃燒器皿中燃燒的酒精火焰沒有變化。

5）將玻璃杯的兩片交錯2mm（如圖7），此時觀察到燃燒器皿中燃燒的酒精火焰迅速被提高。

6）繼續觀察燃燒器皿中燃燒的酒精火焰，發現火焰的高度已經到達了玻璃杯口的高度，并且呈螺旋式上升，類似于自然界的“火龍卷”（如圖8）。

7）如果將玻璃杯合攏，或者是將玻璃杯拿開，火焰都將會恢復到原來的狀態，說明兩片玻璃杯中間2mm的縫隙是形成火龍卷的關鍵因素。

研究原理

本實驗的形成原理主要是“空氣對流”。玻璃杯圍住了火焰，但是有二道縫隙，讓空氣可以由縫隙流入，形成螺旋狀的氣流（如圖9中藍色箭頭）。當火焰燃燒產生的熱空氣上升（如圖10中紅色箭頭），空氣可以由玻璃管縫隙流入補充，使得玻璃管內的空氣一邊旋轉一邊上升，造成火龍卷的現象。

另一方面，由于火焰被局限在玻璃管內，熱量往四周散開的程度較少，玻璃管的內部與外圍的溫差增加，空氣對流也就越快，因此，使得火焰更為旺盛。

研究結論

火龍卷是一種具有巨大破壞力的自然現象，它在特定的條件下形成后，會給人們的生命安全帶來巨大的災難，我們在弄清楚它的成因和原理以后，就能夠有針對性地進行有效的防范和治理。

但是，人類的智慧是無窮的，如果能夠將火龍卷形成的原理科學有效地應用到人們的生產生活當中，就能夠“為人所用”，為我們的生活帶來巨大的價值。

參考文獻

[1]Proceedings of the National Academy of Sciences-From fire whirlsto blue whirls and combustion with reduced pollution.http：//www.pnas. org/content/113/34/9457.full.

[2]國立臺中教育大學，NTCU 科學教育與應用學系，科學游戲實驗室.http：//scigame.ntcu.edu.tw/ chemistry/chemistry-036.html.

（指導老師：曹登勇，鄭長宏；作者簡介：胡晉瑋，成都七中初中學校。）endprint