江蘇省金湖縣實驗中學 華慶富

將一個乒乓球埋進沙子里,乒乓球就會乖乖地呆在那里一動不動,如果不是事先知道,你根本不會想到沙子里有一個乒乓球正在睡大覺呢!可是如果你把裝沙子的容器端起來輕輕地搖晃幾下,嘿,一個圓溜溜的乒乓球就會浮出沙子表面。那副呆萌萌的面孔,似乎正在譴責你打擾了它的美夢呢。咦!為什么只要輕輕地晃動幾下,乒乓球就會耐不住寂寞地從沙子里探出頭來呢?
別急,讓我們慢慢來分析其中的道理:沙子等這些細小的固體顆粒具有流動性,因此它們具有和水、空氣等流體相同的性質,即能夠對浸在其中的物體產生豎直向上的浮力。乒乓球在水中受到的浮力比其自身的重力大得多,所以它會一直上浮,直至漂浮在水面上。在沙子中,雖然乒乓球受到的浮力仍然大于重力,但是它卻不會像在水中那樣自動上浮,而是要輕輕搖晃才能上浮。這是因為沙子與乒乓球的接觸面非常粗糙,乒乓球表面受到的摩擦力很大,而乒乓球想要向上運動,那么這種摩擦力的方向就是向下的,向下的摩擦力與重力之和等于浮力,所以乒乓球只能像孫悟空被壓在五行山下一樣,動彈不了!
現在我們再來回答為什么晃一晃就會使乒乓球浮上來的問題。因為在晃動前,雖然乒乓球具有向上運動的趨勢,但是實際上并沒有運動起來,所以此時它受到的是靜摩擦力;在晃動過程中,沙子與乒乓球之間的摩擦變成了滾動摩擦,而同樣條件下滾動摩擦力遠小于滑動摩擦力,更小于最大靜摩擦力,因此這時乒乓球受到的摩擦力與重力之和小于浮力,乒乓球就可以像孫悟空遇到唐僧一樣得到解放了!
將一個金屬網眼狀的垃圾桶放在轉盤上,一個裝入少量酒精的小容器(比如剪掉上面大部分只留下底部的易拉罐)放在垃圾桶的中央。為了安全起見,把酒精容器和垃圾桶都固定起來。接下來點火,可以看到點燃的酒精火焰高度燒到了垃圾桶三分之一的位置,如圖1左圖所示。然后開始轉動這個轉盤,隨著轉盤轉動可以看到火焰也在搖擺,但它的高度很明顯已經超過了垃圾桶,如圖1右圖所示。停止轉動轉盤,隨著轉速變小火焰開始變得穩定,并出現了一個特別漂亮的形態,像龍尾巴一樣非常好看,讓人感覺是火焰在跳舞。

圖1

圖2
為什么會出現這樣的現象?不妨再讓我們來分析一下。
如圖2所示,通過垃圾桶上的金屬網眼,氧氣可以輕松穿過,以供酒精持續燃燒。但酒精在燃燒過程中一邊會消耗氧氣,一邊又會將周邊的空氣加熱上升,導致貼近火焰的空氣流速大、壓強小,而火焰外圍的空氣流速小、壓強大。這一壓強差使得在火焰中心形成向上的氣流,從而讓火焰有向上的力,旋轉升高。