晃動與旋轉中的秘密

江蘇省金湖縣實驗中學 華慶富

一、晃動中上浮的乒乓球

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！

二、旋轉中上升的火焰

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。