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二营长,你的“意大利炮”呢?| 正经玩

小线&Sheri&雪影 中科院物理所
2024-11-02


二营长,团长要的“意大利炮”呢?

来了来了,正在造“炮”呢!

咱们的原料可丰富了呢!

只要按照以下步骤,空气大炮就触手可及了!

绝对细节多多、包教包会。

让我们一起来实现开炮吧!




实验器材



所标杯、水瓶、剪刀、火柴、气球、锡箔纸、笔(吸管)、(胶带)


实验步骤




安全提示:本实验有明火,请小朋友在家长的陪同下完成,或在空旷的地方进行,避免着火,注意安全。
第一步:制作空气炮雏形

将矿泉水瓶的底部和气球的球肚剪下,接着把气球膜罩在剩下的水瓶末端。记得用打火机将塑料瓶末端烧熔,防止扎破气球哦!

第二步:装入让空气可视化的烟

将火柴和吸管一起用锡箔纸(既不会烧破又能导热的神器)卷成柱体,用胶带贴好末端,形成良好的气密性,点燃火柴,让烟顺着柱体流向瓶内。




第三步:开炮

可以通过向内推气球或者向外拉气球实现开炮。


在通向实验成功的道路上,其实也经历了一些“小小”的失败。但我们总结出了一条成功的关键线索,那就是存储足够的烟所以做实验时也别忘了以下细节:

1. 剪瓶子记得留下足够大的空间装烟;

2. 产生烟的是火柴的头部,可以多加入火柴头或者火柴头粉末,来产生足够的烟;

3. 烟产生的一瞬间动能很大,但很快温度会下降,烟会向下流动,装烟时大家可以调整一下瓶口方向,尽量让烟的利用率最大


最后和想象的相反,需要较慢向内推动气球膜才能够成功看到烟圈,因为这样能让空气呈现一个运动较为缓慢的过程。

原理解密




制作空气炮的奥秘在于我们能创造出空气涡环,一旦我们将空气“揉捏”成空气涡环这种特殊的构形,这团空气就能在较长的时间内维持自身的动能和质量,而不是消弭于大气中。


图源File:Vortex ring.gif - Wikimedia Commons


当我们拉推气球时,会对瓶内空气产生一定的作用力,让其以一定的流速流出瓶口,根据伯努利原理,流速大则压强小,瓶口周围静止的空气就会向内流动挤压,从而在瓶口边缘附近形成螺旋流动,考虑瓶口的圆形形状,从整体看就满足了空气涡环的构形。


空气烟圈的结构|图源网络

我们知道,滚动摩擦能让能量耗散更少,因此组成空气涡环的一圈螺旋前进的空气团和周围空气的摩擦较小,能更长时间地以一定的能量前进,从而形成我们看到的空气烟炮。


一点点野心




小瓶的空气炮是不是还不过瘾?下面祭出我们的重型“大炮”。



大炮的容量更大,烟圈也更大、更明显。于是开始思考,是不是把瓶口变大能够产生更大的烟圈呢?


说做就做:



可惜失败了……


再细细观察一下大炮,原来败因在这。



大炮的推动皮罩的弹性很大,能够搅动空气的体积也很大,所以能给空气提供较大的能量,保证了出炮口面积较大时,喷出的空气依然能保持一定的流速,从而形成压力差,产生空气涡环。所以当瓶口变大时,需要更大的推动力来提供一定的流速,而我们由水瓶改造的装置做不到这一点。


接下来,等待你们的大展身手!


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