伯努利浮球实验揭示流速与压强关系

伯努利浮球

Bernoulli Ball

18世纪瑞士物理学家丹尼尔·伯努利发现，理想流体在重力场中做稳定流动时，同一流线上各点的压强、流速和高度之间存在一定的关系。本实验通过伯努利浮球演示这一关系。

实验装置

强力鼓风机一个；皮球一只；塑料吹气管等。

现象观察

1.气源接通电源，打开气源开关，调整调节旋钮处于中挡。将皮球放于气源出气口附近，待稳定悬浮以后，轻轻触碰皮球，可观察到皮球左右摇摆一会儿后，会稳定下来。

2.调节气源流量调节旋钮，分别使流量增加和减少，可观察到皮球悬浮的高度有所变化。

3.将3个乒乓球依次放入气流中，可观察到3个乒乓球同时被悬浮的现象。

图1　伯克利浮球演示照片

现象解密

图2　在气流中小球受力示意图(www.xing528.com)

由伯努利方程+h=c（c为常数）可知，定常流动的流体，流速越大处压力越小。所以当气源竖直向上喷射气体时，气流柱中心的压力比边缘的压力小。把乒乓球轻轻放在气流中心线附近，乒乓球球心在气流中心线上，水平方向受周围大气的压力对称而平衡。若乒乓球的球心偏离气流中心线，如图2所示，水平方向受力将不平衡，外侧指向内侧的水平力要大于内侧指向外侧的水平力，结果迫使乒乓球回到气流中心。在竖直方向，气流向上的压力越高越小，在一定高度处，气流的压力与乒乓球的重力平衡，乒乓球将悬浮在空中。

知识拓展

图3中的两艘船在静水里并排航行着，或者并排地停在流动着的水里，海员们都知道这种情形是很危险的。因为两艘船之间的水面比较窄，所以这里水的流速就比两船外侧的水的流速大，压力比两船外侧小。结果这两艘船就有可能挤在一起。

图3　两船相近平行运动时的水流情况

图4　一前一后平行运动的两船

如果两艘船并排前进，其中一艘稍微落后，如图4所示，情况会更加严重。使两艘船接近的两个力F，将导致船身转向，并且使船B转向船A的力更大。在这种情况下，撞船是免不了的，因为舵已经来不及改变船的航向。

思考题

1.本实验中皮球悬浮在空中是由哪几种力达到平衡的？

2.如果把皮球换成圆盘，调整圆盘与出风口之间的间隙，在一定情况下，向上的推力等于圆盘自身的重力，圆盘就会悬浮起来。试一试，并解释原因。

3.我们在园林或宾馆大厅中，常看到大理石球或水晶玻璃球在喷泉水柱上稳稳地滚转，不会跌落下来。是什么神奇的力量在支托着它们呢？