這個可愛的泡泡沙漏,你們能打幾分?| 正經玩_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2022-08-28 17:06
原創:中科院物理所
今天小編在思(jiu)考(shi)人(mo)生(yu)的時候
看到了桌面上的沙漏
突然靈機一動
打算做個反向沙漏玩玩
實驗器材
所標杯、塑料瓶、乒乓球、注射器、剪刀、斜嘴鉗

實驗過程
敲黑板,實驗要注意安全,千萬不要傷到自己哦~
我們先來用塑料瓶做一個一頭寬一頭窄的圓筒
這裏最好用瓶體曲線比較平滑的塑料瓶
將塑料瓶尾部剪下

用這個圓筒我們可以先做一些簡單的實驗
比如初中剛剛接觸浮力時會接觸到的一個實驗:
將乒乓球放入筒中
從圓筒上方加水

我們會發現乒乓球並不會浮起來
不過如果我們將圓筒放在桌面上

或者用手蓋住瓶嘴處

過個幾秒鐘,乒乓球便會突然彈起
瞬間漂浮到水面上
大家回想一下浮力的本質
即不同的流體壓強作用在物體的各個表面上形成的壓力差
在剛才的實驗中兩種狀態之間的轉變非常劇烈
不過我們可以用一些手段來調控這種變化
比如向乒乓球中注水:
先在乒乓球上開一個小口

再用注射器向乒乓球內注水

不過不要注太滿哦
只要這個口開的不太大,
不僅球在空中時球中的水不會流出
球浸沒在水中時球中的空氣也不會逸出
那麼現在我們將注入部分水的乒乓球放入瓶中
向上方灌入水後將瓶蓋擰緊
然後靜置觀察:

我們可以看到乒乓球有節奏地彈跳起來然後落下
跳動的頻率隨着下方水面的上漲越來越高
並在瓶口處水灌滿後的幾秒內逐漸上浮

這裏乒乓球彈跳的節奏以及上浮前能夠彈跳的總時長
與乒乓球內的水量有關
大家可以多試試不同注水量對彈跳的影響
水量合適時得到的彈跳又明顯又持久
如果注水量較大
整個裝置也可以當成一種沙漏來使用

乒乓球上浮時就意味着沙漏時間到啦
原理解説
在瓶子下方敞開時(如上圖左側),乒乓球下方受到大氣壓強的作用,乒乓球與水接觸的部分受到大氣壓與水壓之和的壓強。只有乒乓球的邊緣(圖中紅線兩側)上下表面有向上的壓強差,能提供少量浮力,而乒乓球的中心部分壓強差向下,水壓將乒乓球牢牢地“釘”在了瓶口處。

在瓶口用瓶蓋、桌面或手封住時(如上圖右側),由於部分水會因為乒乓球表面的毛細作用滲入下方的空間,下方空氣體積減小、壓強增大。直到下方壓強增至乒乓球受到的合力向上時,乒乓球便會上浮。而一旦乒乓球上浮、水迅速湧入下方空間,乒乓球被水包裹,受到完整的浮力,所以向上回彈的速度極大。
不過如果我們將乒乓球灌入部分水,乒乓球整體的質量增大,在乒乓球彈起時,向上的加速度很小,形成的空隙很小。下方的空氣會水大量流下前率先以氣泡形式逸出,此時乒乓球與瓶壁的界面處上下壓強形成瞬時平衡,不過由於此刻水傾向於向下方空間流動,便會推動乒乓球向下運動,再次將空氣堵住。不過此時由於空氣體積減小了,下一次彈起所需的滲透水也會變少,所以乒乓球會越彈越快。直到下方的空氣全部逸出,乒乓球便會升起了。
如果乒乓球的水過多,使整體的密度與水接近的時候,在乒乓球第一次“抬起”時,打開的通道很窄,會形成一個微妙的平衡,使下方空氣與上方水的交換交替進行而不繼續使乒乓球運動,整體的週期非常平穩,就好似沙漏一般。