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探秘科技館|氣流中的隱形推手:伯努利原理與飛行奇跡

    2025-08-21 09:17:09

湖南省科學(xué)技術(shù)館 夏小寒

當(dāng)高鐵以350公里的時速呼嘯而過,站臺上的乘客會感受到一股無形的力量將人推向軌道;當(dāng)臺風(fēng)掠過城市,高層建筑的窗戶會被壓得“砰砰”作響;甚至一片飄落的樹葉,也會在旋轉(zhuǎn)中劃出詭異的曲線。這些看似毫無關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象,實則遵循著同一條物理定律——丹尼爾·伯努利在1726年提出的流體力學(xué)原理。在科技館的“數(shù)理啟迪”展區(qū),一組互動裝置將這種抽象原理轉(zhuǎn)化為可感知的物理現(xiàn)實:兩個精心設(shè)計的泡沫塊在風(fēng)機作用下上演“空中芭蕾”——一個機翼形狀的泡沫塊被氣流穩(wěn)穩(wěn)托起,而另一個長方體泡沫塊卻紋絲不動。這些現(xiàn)象背后,隱藏著人類理解自然、征服天空的密碼。

一、伯努利原理:速度與壓力的“蹺蹺板效應(yīng)”

伯努利原理的核心,可簡化為一個直觀的物理關(guān)系:在穩(wěn)定流動的流體中,流速越快的位置壓強越小,流速越慢的位置壓強越大。這種“速度-壓力”的此消彼長,如同蹺蹺板的兩端——當(dāng)氣流被迫加速時,其壓強必然降低;反之,當(dāng)氣流被減速時,壓強則會升高。

科技館的“升力與阻力”展品是這一原理的經(jīng)典演示:風(fēng)機啟動后,氣流沖擊兩個泡沫塊。左側(cè)的泡沫塊被雕刻成典型的機翼形狀——上表面呈弧形凸起,下表面相對平坦;右側(cè)的泡沫塊則是規(guī)則的長方體。當(dāng)氣流掠過機翼泡沫塊時,上表面因弧度導(dǎo)致氣流路徑變長,流速被迫加快,壓強顯著降低;而下表面氣流路徑較短,流速較慢,壓強較高。上下表面的壓強差產(chǎn)生向上的升力,使機翼泡沫塊被穩(wěn)穩(wěn)托起,甚至能承載一枚硬幣的重量。

相比之下,長方體泡沫塊的氣流路徑在上下表面完全對稱,流速與壓強分布均勻,無法形成壓強差,因此即使風(fēng)機功率開到最大,長方體泡沫塊仍像被“釘”在展臺上一般紋絲不動。這種對比實驗通過直觀的視覺差異,讓觀眾瞬間理解伯努利原理中“流速決定壓強”的關(guān)鍵邏輯。

二、阻力的博弈:飛行中的能量消耗

與升力相伴的是阻力,它由兩部分構(gòu)成:

摩擦阻力:空氣與飛機表面摩擦產(chǎn)生;

壓強阻力:氣流分離導(dǎo)致機翼前后壓強差形成。

飛機設(shè)計師通過優(yōu)化機翼形狀(如后掠翼、超臨界翼型)和表面光滑度,最大限度減少阻力,提升燃油效率。

三、從實驗室到生活:伯努利原理的廣泛應(yīng)用

伯努利原理不僅解釋了飛行奧秘,更滲透于日常生活:

地鐵安全線:列車高速通過時,軌道兩側(cè)空氣流速加快、壓強降低,若乘客靠近可能被“吸”向軌道;

噴霧器:擠壓橡膠球時,瓶內(nèi)空氣流速加快、壓強降低,藥液在大氣壓作用下被吸入并霧化;

足球“香蕉球”:球員踢球時使球體旋轉(zhuǎn),一側(cè)空氣流速加快、壓強降低,形成側(cè)向力使球軌跡彎曲。

四、科學(xué)啟示:從現(xiàn)象到本質(zhì)的探索

伯努利原理的發(fā)現(xiàn),源于丹尼爾·伯努利對流體運動的數(shù)學(xué)建模。它告訴我們,自然界中看似孤立的現(xiàn)象背后,往往隱藏著統(tǒng)一的物理規(guī)律。當(dāng)你仰望天空中的飛機,或感受地鐵進站時的氣流,不妨思考:這場持續(xù)300年的科學(xué)對話,仍在如何塑造我們的世界?

責(zé)編:伍芳芳

一審:伍芳芳

二審:姚瑤

三審:黃維

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