流动的科学

隗京花

人类生活在美丽的地球上，而地球与太阳系中其他星球显著不同，地球是一个有丰富流体的天体，因为有了流体，整个地球就有了生命和生机。

流体是与固体相对应的一种物体形态，是液体和气体的总称，由于没有一定形状而且是流动的，因而使流体具有很多特殊性。伯努利原理是中学课本中关于流体特性的重要原理。飞机为什么能够飞上天，喷雾器为什么能不断喷洒出水雾，足球运动员为什么能够踢出香蕉球，这些生活中的现象都能通过伯努利原理得到解释。伯努利原理反映出流体的流速与压强的关系：流速越大，压强越小；流速越小，压强越大。中国科技馆“探索与发现”A厅的“气流投篮”和“香蕉球”展品，会带你在游戏中直观感受伯努利原理的真谛所在。

气流投篮

“气流投篮”展品主要由气流发射器、气流流速控制按钮、多个篮筐和球组成。篮筐有水平设置的，也有其他方位设置的。参与者按下气流发射器手柄上的按钮开关，便可启动风机产生气流，开始气流投球的体验过程。将球放在气流发射器的出风口处后，球便悬浮在气流中心，调整发射器的角度，通过控制“升速”和“降速”按钮调整气流速度，如果你的操作要领掌握得好，一定能体会到用气流把球送入篮筐的喜悦。同时，你也可能会产生这样的疑问：“看似无形且柔弱的气流是怎样把有一定重量的球投进篮筐的？”

图1为展品“气流投篮”结构示意图。当启动风机，气流从出口射出，把球放在气流中后，你会发现这样两个现象：一是，球可以在气流中平衡，改变气流方向，球的位置也随之改变，但始终不脱离气流中心；二是，球可以在气流推动下前进，并随气流速度的增减而上下移动，这些神奇的现象是怎样产生的？

图2为气流方向竖直向上时球体的受力分析，图3为气流方向倾斜时球体的受力分析。其中：P1和P2为球两侧所受到的压力；G为球所受的重力；F为球所受的流体阻力；N为气流方向倾斜时球受到的与气流方向垂直的压力差，即空气动力。

当气流竖直向上时（如图2），球的四周流速及压力对称，压力差为0，球在自身重力G和流体阻力F的作用下达到平衡。流速加大时，球所受的流体阻力加大，球向上运动，即向着流速较小的高处移动，从而在新的位置达到平衡。如果球受到扰动企图偏离气流中心时，大气压力随时会把球压回气流中心，当流速足够大时，球会始终保持在流动的气流中无法脱离。

当气流倾斜β角时（如图3）。由于重力G作用使球向左下方偏离气流中心，使得流过球上方的气流速度大于下方的速度，根据伯努利原理可知，流速大处压强小，流速小处压强大，由于气流上方压力P2小，而下方压力P1大，形成了指向右上方的空气动力N，当F与N形成的与G方向相反的合力与G相等时，三力的作用使球在空中处于平衡状态，球会保持在流动的气流中。如果气流倾角不断减小，F与N的合力会逐渐减小，当合力小于球的自身重力G时，球就会掉下来导致气流投篮失败。

若始终保持球位于气流中心，增加气流的流速，球在气流推动下不断前移，当球到达篮筐附近时，逐步减小气流倾斜角β，上述三个力会在某个临界情况下失去平衡，从而使球落下正好投向篮筐。经过体验才会发现，实现气流投篮并不是轻而易举的事，要深刻理解伯努利原理的实质，掌握规律，才能实现目标。

香蕉球

展品“香蕉球”由乒乓球发球机、球门、球员模型和微缩的台式足球场构成。在发球机和球门之间，球员模型挡在球门前，模拟足球比赛中任意球的发球场景。发球机的乒乓球输送管道内，装置有高速旋转的摩擦轮，可以使发球机射出明显的弧线球，以此模仿足球运动员踢出的香蕉球。足球场、球门和球员的大小是按照模仿足球的乒乓球的大小同比例缩小而成。如果球直线射出，一定会被球门前的球员挡住，无法射进球门，你一定要设计出香蕉球的发射方案，才可以实现将球射进球门的目标。

图4为展品“香蕉球”的结构示意图。首先，将球放入发球机，通过“左旋”和“右旋”按钮选择发球旋转方向，通过旋转手柄调整发球机角度，选择自己认为合适的出球角度，这一切准备工作做好之后，按下启动按钮将球射出，如果方向和角度调整合适，可以射出一个绝妙的香蕉球，绕过挡住球门的球员，破门而入。不过射出合适路线的香蕉球，能确保绕过挡在球门前的球员破门进球，并不是件容易事，也许需要反复探索和尝试，才能发现规律。当你亲眼所见自己发射的香蕉球破门得分时，心中一定充满了惊喜，也一定想赶快了解这其中的奥秘吧！

图5为香蕉球的受力分析，图6为香蕉球飞行路线。射出香蕉球的必要条件是，使球一边向前飞行，一边绕对称轴旋转。此时，由于球的旋转和空气黏性的共同作用，在球周围的附面内产生环流。前方气流与环流共同作用的结果，使得在前方气流和环流同方向的一侧，气流流速加快（如图5左侧），在反方向的另一侧，流速减慢（如图5右侧）。根据伯努利原理，流速加快的一侧压力下降，流速减慢的一侧压力升高，两侧的压力差对足球产生的侧向作用力称为马格努斯力，其方向与足球的瞬时转轴垂直，同时还与球的运动方向垂直。这个力的存在会使射出的球一边向前飞行，一边向侧偏转，如果偏转的距离合适，球就会绕过球员到达球门。

由于马格努斯力的方向与球的旋转方向有关，因此，改变足球的旋转方向可以使足球在水平面内向左或向右偏转。踢香蕉球射门时，运动员并不是用脚踢足球的中心，而是稍稍偏向一侧，同时用脚背摩擦足球，使球在空气中前进的同時还不断地旋转。这时，一方面空气迎着球向后流动，另一方面，由于空气与球之间的摩擦，球周围的空气又会被带着一起旋转。这样，球一侧空气的流动速度加快，而另一侧空气的流动速度减慢，它们对足球所产生的压强也不一样，足球在空气压力作用下，被迫向空气流速大的一侧偏转了，于是才出现足球绕过防守人墙破门而入的神奇现象，它是足球运动一项重要的制胜技术。展品“香蕉球”正是通过乒乓球输送管道内高速旋转的摩擦轮，模拟足球运动员踢出香蕉球的初始条件的。在体验完展品后，你是否认识到掌握科学规律对解决现实问题的重要性了呢？