看完《夺冠》,用这些小实验搞明白排球背后的伯努利原理

看完《夺冠》,用这些小实验搞明白排球背后的伯努利原理
2020年10月16日 19:01 狂丸菌

由中国女子排球队以及一众明星主演的电影《夺冠》,大家已经看过了吧?今天,我们就来聊一聊排球背后的科学原理。

在排球以及其他球类运动比赛中,经常能看见球的飞行轨迹为一条曲线,而且一般情况下,这种「曲线球」只会在球在空中旋转飞行时发生。而就是这样一个看起来似乎不太起眼的细节,背后的门道却不少。

球为什么会旋转其实十分好理解,排球的表面并非绝对光滑,击球作用力作用到球体上时,没有通过球的重心,所以才能让球在前进的同时还不断的旋转。

而在空中旋转的球为什么能飞出曲线轨迹,就不得不先提到著名的伯努利原理和马格努斯效应了。

伯努利原理是马格努斯效应的底层原理,首先根据伯努利原理,在一个流体系统,比如气流、水流中,流速越快,流体产生的压强就越小;反之,流速越慢,流体产生的压强就越大。

这样就导致旋转物体出现压力差,并形成横向力,同时由于横向力与物体运动方向相垂直,因此这个力主要改变飞行速度方向,因而导致物体飞行方向的改变,而这个现象,就是马格努斯效应了。

通俗点解释来说就是,一个转动的球它会带动周围一些空气一起旋转。

空中旋转飞行前进的排球示意图

但当球周围旋转的空气撞上迎面刮来的空气,其中一侧旋转的空气与刮来的空气流动方向一致时,刮来的空气流速会加大,这一边的空气会变稀薄,形成低压区。

图中右侧为低压区

而球的另一侧则相反,旋转的空气与刮来的空气方向相反,起了「冲突」,像是撞在一起堵住了一样,那么刮来的空气流速会变小,这一边的空气也会变稠密,从而形成高压区。

图中左侧为高压区

这使得两边的压力差出现,形成横向力,压强大的一边总是压着小球向另一边偏移一点,进而产生曲线轨道,而这个现象就是马格努斯效应了。

高压区也为受力方向

不止排球中的曲线球原理是如此,其他球类的曲线运动也同理。国外就有团队用篮球做过的一个惊人的马格努斯效应实验,可以让我们更加直观的了解马格努斯效应,以及它和伯努利原理之间的联系。

实验团队将一个篮球随手扔下峡谷,可以看到篮球虽然被风吹的到处飘荡,但还是落在了差不多是正下方的位置,轨迹没有太大的偏移。

而第二次扔球的时候,则是旋转着将球扔下,这时奇迹的一幕发生了,明明没有使什么力气,但球却飞出了曲线轨迹,滑翔出很远。

这一幕就将伯努利原理和马格努斯效应,以及这两者之间的联系,诠释的十分到位了。如果家里室内空间充足,或有条件合适、不会造成危险的室外空间,家长们也可以用小一点、重量轻一点的球,带孩子稍微尝试一下这个小实验。

除此之外,还有3个不需要复杂材料,简单易上手的伯努利原理小实验:

两张纸的伯努利原理实验

伯努利原理实验中最简单、也是最好理解的一个,可以说是这个只要准备两张纸就足够的实验了。纸张选择普通A4纸即可,双手各拿一张,动作如下:

然后用嘴向两张纸中间吹气,就会发现纸不但没有被吹开,反而被吸在了一起。

这个现象就可以用伯努利原理来解释:由嘴吹出的气流会快速的经过两张纸中间,使得两张纸中间的流速快,压强小,而这时纸两侧的大压强就会压着纸张向中间进行运动,所以才会出现纸没有被吹开,反而是吸在一起的现象。

本实验中图片素材来自中国科技馆云享科学系列视频

两个气球的伯努利原理实验

也可以将上个实验中的两张纸替换为两个气球,做法也很简单,将两个气球吹满气,大小要尽量均等。

气球封口后,在封口处系上细绳子。

接下来像刚才拿着两张纸的动作一样,双手分别拿着两个气球的绳子,让它们平行相对且中间留有10-15厘米的缝隙。

然后用一个圆纸筒向气球中间吹气。

就会发现气球没有被吹开,反而是和刚刚的两张纸一样,是相互靠近的。

悬浮的乒乓球

「悬浮的乒乓球」这个实验也是伯努利原理实验,但操作上相对更复杂一点,不过能有效锻炼孩子的动手力和反应力。

首先准备好吹风机和一个乒乓球,打开冷风开关,然后把乒乓球放在出风口的正上方,这时就可以看到乒乓球没有被吹飞,反而是悬浮在空中。

吹球(也可以换一个稍大点的球)的时候,也可以试着慢慢倾斜吹风机,就会发现即使倾斜,球也没有掉下来,而且被风控制着。

那么新的问题来了,为什么球可以被风控制着呢?这当然也是基于伯努利原理,不过要比前两个实验多一些知识点:

当球置身于流速较快的气流中时,气流中的压强是小的,而周围的压强虽然没变化,但相对于气流中的压强是大的,大气压会随时把球压回气流中心,进而把球束缚在气流中,以至于我们可以用气流来控制小球。

关于伯努利原理,还可以看看这部郑州科技馆出品的动画短片,里面画风可爱,语言通俗易懂,不仅解释了伯努利原理,还提到了伯努利原理会出现在生活中哪些场景中,以及注意事项。

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