流動的科學

隗京花

人類生活在美麗的地球上，而地球與太陽系中其他星球顯著不同，地球是一個有豐富流體的天體，因為有了流體，整個地球就有了生命和生機。

流體是與固體相對應的一種物體形態，是液體和氣體的總稱，由于沒有一定形狀而且是流動的，因而使流體具有很多特殊性。伯努利原理是中學課本中關于流體特性的重要原理。飛機為什么能夠飛上天，噴霧器為什么能不斷噴灑出水霧，足球運動員為什么能夠踢出香蕉球，這些生活中的現象都能通過伯努利原理得到解釋。伯努利原理反映出流體的流速與壓強的關系：流速越大，壓強越小；流速越小，壓強越大。中國科技館“探索與發現”A廳的“氣流投籃”和“香蕉球”展品，會帶你在游戲中直觀感受伯努利原理的真諦所在。

氣流投籃

“氣流投籃”展品主要由氣流發射器、氣流流速控制按鈕、多個籃筐和球組成?；@筐有水平設置的，也有其他方位設置的。參與者按下氣流發射器手柄上的按鈕開關，便可啟動風機產生氣流，開始氣流投球的體驗過程。將球放在氣流發射器的出風口處后，球便懸浮在氣流中心，調整發射器的角度，通過控制“升速”和“降速”按鈕調整氣流速度，如果你的操作要領掌握得好，一定能體會到用氣流把球送入籃筐的喜悅。同時，你也可能會產生這樣的疑問：“看似無形且柔弱的氣流是怎樣把有一定重量的球投進籃筐的？”

圖1為展品“氣流投籃”結構示意圖。當啟動風機，氣流從出口射出，把球放在氣流中后，你會發現這樣兩個現象：一是，球可以在氣流中平衡，改變氣流方向，球的位置也隨之改變，但始終不脫離氣流中心；二是，球可以在氣流推動下前進，并隨氣流速度的增減而上下移動，這些神奇的現象是怎樣產生的？

圖2為氣流方向豎直向上時球體的受力分析，圖3為氣流方向傾斜時球體的受力分析。其中：P1和P2為球兩側所受到的壓力；G為球所受的重力；F為球所受的流體阻力；N為氣流方向傾斜時球受到的與氣流方向垂直的壓力差，即空氣動力。

當氣流豎直向上時（如圖2），球的四周流速及壓力對稱，壓力差為0，球在自身重力G和流體阻力F的作用下達到平衡。流速加大時，球所受的流體阻力加大，球向上運動，即向著流速較小的高處移動，從而在新的位置達到平衡。如果球受到擾動企圖偏離氣流中心時，大氣壓力隨時會把球壓回氣流中心，當流速足夠大時，球會始終保持在流動的氣流中無法脫離。

當氣流傾斜β角時（如圖3）。由于重力G作用使球向左下方偏離氣流中心，使得流過球上方的氣流速度大于下方的速度，根據伯努利原理可知，流速大處壓強小，流速小處壓強大，由于氣流上方壓力P2小，而下方壓力P1大，形成了指向右上方的空氣動力N，當F與N形成的與G方向相反的合力與G相等時，三力的作用使球在空中處于平衡狀態，球會保持在流動的氣流中。如果氣流傾角不斷減小，F與N的合力會逐漸減小，當合力小于球的自身重力G時，球就會掉下來導致氣流投籃失敗。

若始終保持球位于氣流中心，增加氣流的流速，球在氣流推動下不斷前移，當球到達籃筐附近時，逐步減小氣流傾斜角β，上述三個力會在某個臨界情況下失去平衡，從而使球落下正好投向籃筐。經過體驗才會發現，實現氣流投籃并不是輕而易舉的事，要深刻理解伯努利原理的實質，掌握規律，才能實現目標。

香蕉球

展品“香蕉球”由乒乓球發球機、球門、球員模型和微縮的臺式足球場構成。在發球機和球門之間，球員模型擋在球門前，模擬足球比賽中任意球的發球場景。發球機的乒乓球輸送管道內，裝置有高速旋轉的摩擦輪，可以使發球機射出明顯的弧線球，以此模仿足球運動員踢出的香蕉球。足球場、球門和球員的大小是按照模仿足球的乒乓球的大小同比例縮小而成。如果球直線射出，一定會被球門前的球員擋住，無法射進球門，你一定要設計出香蕉球的發射方案，才可以實現將球射進球門的目標。

圖4為展品“香蕉球”的結構示意圖。首先，將球放入發球機，通過“左旋”和“右旋”按鈕選擇發球旋轉方向，通過旋轉手柄調整發球機角度，選擇自己認為合適的出球角度，這一切準備工作做好之后，按下啟動按鈕將球射出，如果方向和角度調整合適，可以射出一個絕妙的香蕉球，繞過擋住球門的球員，破門而入。不過射出合適路線的香蕉球，能確保繞過擋在球門前的球員破門進球，并不是件容易事，也許需要反復探索和嘗試，才能發現規律。當你親眼所見自己發射的香蕉球破門得分時，心中一定充滿了驚喜，也一定想趕快了解這其中的奧秘吧！

圖5為香蕉球的受力分析，圖6為香蕉球飛行路線。射出香蕉球的必要條件是，使球一邊向前飛行，一邊繞對稱軸旋轉。此時，由于球的旋轉和空氣黏性的共同作用，在球周圍的附面內產生環流。前方氣流與環流共同作用的結果，使得在前方氣流和環流同方向的一側，氣流流速加快（如圖5左側），在反方向的另一側，流速減慢（如圖5右側）。根據伯努利原理，流速加快的一側壓力下降，流速減慢的一側壓力升高，兩側的壓力差對足球產生的側向作用力稱為馬格努斯力，其方向與足球的瞬時轉軸垂直，同時還與球的運動方向垂直。這個力的存在會使射出的球一邊向前飛行，一邊向側偏轉，如果偏轉的距離合適，球就會繞過球員到達球門。

由于馬格努斯力的方向與球的旋轉方向有關，因此，改變足球的旋轉方向可以使足球在水平面內向左或向右偏轉。踢香蕉球射門時，運動員并不是用腳踢足球的中心，而是稍稍偏向一側，同時用腳背摩擦足球，使球在空氣中前進的同時還不斷地旋轉。這時，一方面空氣迎著球向后流動，另一方面，由于空氣與球之間的摩擦，球周圍的空氣又會被帶著一起旋轉。這樣，球一側空氣的流動速度加快，而另一側空氣的流動速度減慢，它們對足球所產生的壓強也不一樣，足球在空氣壓力作用下，被迫向空氣流速大的一側偏轉了，于是才出現足球繞過防守人墻破門而入的神奇現象，它是足球運動一項重要的制勝技術。展品“香蕉球”正是通過乒乓球輸送管道內高速旋轉的摩擦輪，模擬足球運動員踢出香蕉球的初始條件的。在體驗完展品后，你是否認識到掌握科學規律對解決現實問題的重要性了呢？