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这个可爱的泡泡沙漏,你们能打几分?| 正经玩

荔枝&荷塘&婷子 中科院物理所 2023-07-28

今天小编在思(jiu)考(shi)人(mo)生(yu)的时候

看到了桌面上的沙漏

突然灵机一动

打算做个反向沙漏玩玩



实验器材


所标杯、塑料瓶、乒乓球、注射器、剪刀、斜嘴钳


实验过程




敲黑板,实验要注意安全,千万不要伤到自己哦~

我们先来用塑料瓶做一个一头宽一头窄的圆筒

这里最好用瓶体曲线比较平滑的塑料瓶

将塑料瓶尾部剪下



用这个圆筒我们可以先做一些简单的实验

比如初中刚刚接触浮力时会接触到的一个实验:

将乒乓球放入筒中

从圆筒上方加水



我们会发现乒乓球并不会浮起来


不过如果我们将圆筒放在桌面上



或者用手盖住瓶嘴处



过个几秒钟,乒乓球便会突然弹起

瞬间漂浮到水面上


大家回想一下浮力的本质

即不同的流体压强作用在物体的各个表面上形成的压力差

在刚才的实验中两种状态之间的转变非常剧烈

不过我们可以用一些手段来调控这种变化

比如向乒乓球中注水:

先在乒乓球上开一个小口



再用注射器向乒乓球内注水



不过不要注太满哦

只要这个口开的不太大,

不仅球在空中时球中的水不会流出

球浸没在水中时球中的空气也不会逸出


那么现在我们将注入部分水的乒乓球放入瓶中

向上方灌入水后将瓶盖拧紧

然后静置观察:



我们可以看到乒乓球有节奏地弹跳起来然后落下

跳动的频率随着下方水面的上涨越来越高

并在瓶口处水灌满后的几秒内逐渐上浮



这里乒乓球弹跳的节奏以及上浮前能够弹跳的总时长

与乒乓球内的水量有关

大家可以多试试不同注水量对弹跳的影响

水量合适时得到的弹跳又明显又持久


如果注水量较大

整个装置也可以当成一种沙漏来使用



乒乓球上浮时就意味着沙漏时间到啦

原理解说





在瓶子下方敞开时(如上图左侧),乒乓球下方受到大气压强的作用,乒乓球与水接触的部分受到大气压与水压之和的压强。只有乒乓球的边缘(图中红线两侧)上下表面有向上的压强差,能提供少量浮力,而乒乓球的中心部分压强差向下,水压将乒乓球牢牢地“钉”在了瓶口处。



在瓶口用瓶盖、桌面或手封住时(如上图右侧),由于部分水会因为乒乓球表面的毛细作用渗入下方的空间,下方空气体积减小、压强增大。直到下方压强增至乒乓球受到的合力向上时,乒乓球便会上浮。而一旦乒乓球上浮、水迅速涌入下方空间,乒乓球被水包裹,受到完整的浮力,所以向上回弹的速度极大。


不过如果我们将乒乓球灌入部分水,乒乓球整体的质量增大,在乒乓球弹起时,向上的加速度很小,形成的空隙很小。下方的空气会水大量流下前率先以气泡形式逸出,此时乒乓球与瓶壁的界面处上下压强形成瞬时平衡,不过由于此刻水倾向于向下方空间流动,便会推动乒乓球向下运动,再次将空气堵住。不过此时由于空气体积减小了,下一次弹起所需的渗透水也会变少,所以乒乓球会越弹越快。直到下方的空气全部逸出,乒乓球便会升起了。


如果乒乓球的水过多,使整体的密度与水接近的时候,在乒乓球第一次“抬起”时,打开的通道很窄,会形成一个微妙的平衡,使下方空气与上方水的交换交替进行而不继续使乒乓球运动,整体的周期非常平稳,就好似沙漏一般。



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No.316 除了拉环,还能怎么开可乐罐啊? | 正经玩

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编辑:荔枝


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