晃动与旋转中的秘密

华庆富

1晃动中上浮的乒乓球

将一个乒乓球埋进米粒或者沙子中，乒乓球会乖乖的呆在里面，如果不是事先知道，你根本不会想到米中或者沙子中有一个乒乓球在睡大觉呢！可是如果你把装米或者沙子的容器端起来轻轻的摇晃几下，嘿！一个圆溜溜的乒乓球就会浮出来，那副呆呆的萌萌的面孔，似乎正在谴责你打扰了它的黄粱美梦呢！咦，乒乓球埋在米或者沙子里，不动它就永无出头之日，可是只是轻轻地晃动几下，乒乓球就会耐不住寂寞的探出头来。

别急，让我们慢慢来分析这个现象中的道理：米粒和沙子等这些细小的固体颗粒具有流动性，称之为流体，它们具有和水、空气等流体相同的性质，能够对浸在其中的物体产生竖直向上的浮力。因此乒乓球埋在米或沙子中，就像将它浸没在水中一样，会受到竖直向上的浮力的作用。因为浮力比乒乓球的重力大得多，所以在水中乒乓球会上浮、直至漂浮在水面上。但是为什么埋在米或沙子中的乒乓球在同样受到浮力大于重力的情况下，却不会自动上浮，而要轻轻摇晃才能上浮呢？这是因为沙子或者米粒与乒乓球的接触面非常粗糙，所以乒乓球表面受到的摩擦力很大，若乒乓球要向上运动，这种摩擦力的方向就是向下的，向下的摩擦力与重力之和等于浮力，所以乒乓球只能保持静止状态。而水对乒乓球表面的阻力比较小，所以在水中时，乒乓球受到的竖直向上的浮力大于向下的阻力与重力之和，因此它会自动向上运动。

现在回答为什么晃晃容器球就会浮上来的问题。因为在晃动前，乒乓球具有向上运动的趋势，但是实际上并没有运动起来，所以此时受到的是静摩擦力，晃动过程中，沙子或者米粒与乒乓球之间的摩擦就变成了滚动摩擦，同样条件下滚动摩擦力远远小于滑动摩擦力，更小于最大静摩擦力，晃动过程中因为滚动摩擦力变得非常小，它与重力之和小于浮力，所以乒乓球就像获得了解放一样，轻轻松松地浮上来了。

2旋转中上升的火焰

将一个金属网眼状的垃圾桶放在转盘上，一个装入少量酒精的小容器（比如剪掉大部分留下底部的易拉罐）放在垃圾桶的中央。为了安全起见，把酒精容器和垃圾桶都固定起来后再点火，可以看到点着的火焰高度烧到了垃圾桶高度1/3的位置，如图1所示。然后开始转动这个转盘。随着转盘转动，可以看到一团火焰也在摇摆，但很明显它的高度已经超过了垃圾桶，可见旋转能使火焰升高。随着它的转速变小火焰慢慢开始变得稳定，火焰出现了一个特别漂亮的形态，像龙尾巴一样特别好看，感觉是火在跳舞。

为什么会出现这样的现象呢？如图1所示，因为火持续燃烧需要氧气，通过金属桶的网眼，气流可以轻松穿透，而火焰在燃烧过程中一边消耗氧气，一边将周边的空气加热上升，导致贴近火焰的空气温度高且快速上升，压强减小，火焰外围的空气温度低且流动慢，压强增大。压强差使得在火焰中心形成向上的气流，让火焰有向上的力，旋转升高。

3旋转向下抽走污水的马桶

现代家庭的生活离不开卫生间里面的抽水马桶，上完厕所轻轻按动按钮，抽水马桶里的水呼啦啦向下旋转着就将污水抽走，马桶里立刻光洁如新。当你在享受这种方便快捷的清洁生活方式的同时，有没有思考过其中的道理呢？原来是这么回事：按动按钮时就打开了抽水马桶储水箱的阀门，于是在重力的作用下，水开始向下流动，在地球自转的影响下，水通过抽水马桶特殊结构的下水通道旋转着向下快速流动。这就导致了相对比较狭窄的下水管道中水流中间压强小，而管道上方的水由于水面相对很宽阔，水流很慢，压强较大，于是向下的压强差将污物和水一起压进下水管道冲走了。

4旋转着向上的龙卷风力大无穷

图2所示为某草原出现的一场龙卷风照片。龙卷风的实质是高速旋转的气流，把地面上的物体或人畜“吸”起卷入空中。龙卷风能“吸”起物体是因为内部在高速旋转，压强小，外部空气流动慢，压强大，结果导致龙卷风内部的压强远小于外部的压强。向上的较大压强差就将地面上的物体压进漏斗状龙卷风中心区域上升了。

龙卷风经过的地方，房屋的屋顶基本都被掀掉，这又是什么原因呢？这是因为龙卷风造成了房顶上的空气急速流动，使得房顶上的大气压强特别小，而房顶下面屋内的空气流动很慢，压强很大。于是形成了巨大的向上的压强差，很轻松就能将屋顶掀翻。