人造云/煙圈/煙泡/煙炮/大炮煙圈--科技館展品展項(xiàng)方案

科學(xué)原理

氣體漩渦

漩渦有時(shí)被稱(chēng)為漩渦。它指的是一種流動(dòng)現(xiàn)象，即半徑非常小的圓柱體在靜止的流體中旋轉(zhuǎn)，使周?chē)牧黧w做圓周運(yùn)動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，在旋渦內(nèi)部有一個(gè)密集的旋渦區(qū)域，稱(chēng)為渦核，它的運(yùn)動(dòng)類(lèi)似于剛體旋轉(zhuǎn)。在它外面，流體的圓周速度與半徑成正比；在它的內(nèi)部，它與直徑的一半成正比，在渦流中心的圓周速度為零。渦是渦流的一種形式，是指在湍流運(yùn)動(dòng)中各種大小的不均勻和不規(guī)則的渦流。它的大小與整個(gè)湍流的廣泛擴(kuò)散的大小相同，例如，在湍流邊界層中，最大的渦旋與邊界層的厚度大小相同；越小，動(dòng)量交換的分子粘度就越小。在湍流運(yùn)動(dòng)中，由于渦流的相互拉伸機(jī)制，渦流從大的變化到各種尺寸的稍小和更小的渦流。渦流的旋轉(zhuǎn)能量隨后從大渦流轉(zhuǎn)移到小渦流，然后轉(zhuǎn)移到小渦流，直到最小渦流上的粘性應(yīng)力直接將旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能并耗散掉。

展項(xiàng)描述

展項(xiàng)設(shè)計(jì)成一個(gè)中央有圓形噴氣口的展臺(tái)型裝置，噴氣口周邊一圈是可按壓的 彈性臺(tái)面，臺(tái)面下藏有觸動(dòng)按鈕和煙霧機(jī)。

在操作時(shí)，多位參與者可同時(shí)用力拍按彈性臺(tái)面，觸發(fā)煙霧機(jī)啟動(dòng)，煙霧氣體 從臺(tái)面下狹小的空間猛然噴出，就會(huì)形成一個(gè)內(nèi)部氣流旋轉(zhuǎn)速度很快的氣體渦 旋，從而從噴氣口中吐出蘑菇狀的煙霧云朵。

表現(xiàn)形式

機(jī)械互動(dòng)

操作說(shuō)明

1.參與者拍按臺(tái)面；

2.觀看噴氣口中產(chǎn)生的煙霧云朵；

3.重復(fù)拍按臺(tái)面，比較拍按時(shí)用力大小不同對(duì)所形成的煙霧云朵有什么影響； 結(jié)束體驗(yàn)，離開(kāi)展品。

知識(shí)拓展

雖然人們說(shuō)吸煙有害健康，但孩子們?nèi)匀缓芘d奮地想要打敗成年人吸煙時(shí)吐出的漂亮煙圈，就像他們打敗西方圈子里吹出來(lái)的肥皂泡一樣。

這些美麗的煙圈是如何形成的？你可以按展品上的開(kāi)始按鈕。當(dāng)有水汽時(shí)，你可以用手按下標(biāo)志，看到美麗的煙圈向上旋轉(zhuǎn)。這到底是怎么回事？

煙圈形成的本質(zhì)是空氣的圓形渦流限制了煙霧顆粒(香煙的固體顆粒或干冰的小珠粒等)在圓形區(qū)域內(nèi)。

當(dāng)煙霧顆粒與空氣一起快速通過(guò)圓孔時(shí)，由于圓孔出口周?chē)目諝馐庆o止的，從圓孔流出的空氣-顆粒混合物將拉動(dòng)周?chē)o止的空氣，從而形成從孔的邊緣向外向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的渦流。這也可以理解為伯努利原理——，即流體流動(dòng)的壓力降低，并且具有高周邊壓力的靜態(tài)空氣被添加到具有低壓力的區(qū)域，從而形成渦流。這個(gè)旋渦分布在圓孔周?chē)纬梢粋€(gè)環(huán)并向上運(yùn)動(dòng)。

這個(gè)環(huán)形旋渦使其中的煙霧顆粒不能以同樣的速度擴(kuò)散到周?chē)目諝庵校簿褪钦f(shuō)，它們被旋渦所束縛，從而形成我們所看到的煙圈。

在氣流的推動(dòng)下，煙圈會(huì)慢慢上升，煙圈中粒子的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)降低，漩渦的束縛能力也會(huì)降低，所以隨著煙圈的上升，煙霧會(huì)逐漸擴(kuò)散直至消失。

視頻演示