有什么生活中的趣味物理知识？ 第1页

温故知新，尝试用实验的方法来演示几个物理概念：

一、伯努利原理

这是一个在家里就可以做的实验。尤其对中国人来说，家家都能做，因为……

咱们东土大唐谁家还没有个乒乓球呢？

瑞士流体物理学家丹尼尔·伯努利在1738年描述了他总结的一条流体力学原理：在水流或气流里，如果速度小，压强就大；如果速度大，压强就小。这个原理有一定的限制条件，但是已经足够解释飞机为什么能飞起来了。

我们用一个乒乓球和一个电吹风就可以演示伯努利原理。质量很轻的乒乓球可以飘浮在吹风机产生的气流里——气流冲击着乒乓球，不让它落下来。当乒乓球一跳出气流范围，周围的空气就像有一堵墙一样把它挡回到气流里。因为周围的空气是几乎静止的，速度小，因而压强大；而电吹风喷出的气流流动速度大，因而压强小。这两者的压强差就把乒乓球圈在了一个无形的“筒子”里，让它漂浮起来，甚至可以倾斜到一定的角度都不落下来。

如果用另一个乒乓球从高处落下，都有可能把前一个漂浮的乒乓球挤走，自己留下漂浮。如果电吹风的喷气口直径足够大，或者内置风扇的功率足够大，还可以让两个乒乓球同时漂浮在空中。

二、表面张力

另一个可以在家里做的实验，有助于观察和理解液体的表面张力——

视频中演示的实验做了两次，第一次用到了洗手用的消毒洗手液，第二次用的是洗碗的洗洁精。这两者与水相比，表面张力都要小。小船的尾端添加了洗手液或者洗洁精之后，尾端的液体表面张力被降低了，而船头部位的水表面张力相对较大，张力是一种拉力，于是船头部位的水凭借比船尾部分的洗洁精要大一些的张力拉动小船向前移动。

液体的表面张力成因有几种解释，如果用分子力解释，那是这样的：在液体内部，每个分子都在每个方向都受到邻近分子的引力，因此，液体内部分子受到的来自各个方向的分子引力合力为零。然而，在液体与气体的分界面上的液体分子则少了一部分引力，液体界面以外的引力没有了，造成表面层中的分子只受到指向液体内部的引力。因此，液体会有缩小液面面积的趋势，在宏观上的表现即为表面张力现象。

演示中用了一张普通纸来折叠小船，但是，如果真的要放到水里去，需要用一张不吸水的塑料纸。同时，小船不能做得太大，表面张力是很弱小的，太大的船只凭表面张力驱动可能运动不起来，或者很慢。

三、水瓶里的风暴

用一个透明瓶子和一些水，就可以模拟龙卷风的形成过程——

实验分三段，第一段的瓶盖上掏出一个小洞，这时灌满的水瓶倒置以后，因为外界大气压的作用，尽管瓶盖上有洞，静止状态下，瓶子内部的大气压强很低，满满一瓶水也会被内外的压强之差“堵”在水瓶里，流不出来。如果猛力摇晃水瓶，会发现最终水瓶里会出现一个长长的漩涡，水会顺着这个漩涡快速流出水瓶，通过瓶盖的小孔喷射出的水流也是旋转的。

如果把瓶盖拿掉，重复上述实验，会发现这个漩涡要强烈得多，水流冲出瓶口的速度也要快得多。

之所以产生漩涡，那是由于地球自转偏向力的作用。当这个漩涡的底端到达瓶口与外界空气会合后，空气就会通过这个漩涡的中心管道进入到瓶子里，流向瓶子顶端，这时瓶子里空气的压强迅速接近外界的大气压强，两者之间的差值已经不足以“托住”水瓶里的水了，于是水就顺着这个漩涡冲出瓶口。瓶口的直径越大，速度越快，因为漩涡的中心管道直径也扩大了，导入空气的速度加快了，压强差减小的速度也快了，最终水流冲出瓶口的速度就比小口径的时候快很多。

实验的第三段，当漩涡的强度不够大的时候，这个进程有可能会中断，进入瓶子里的空气不够多，压强不足与抵消外界的大气压强，剩余的水会被重新封锁在水瓶里。

通过这个实验可以帮助理解龙卷风是怎么回事。与我们晃动水瓶制造漩涡的道理类似，大自然的空气如果发生了极不稳定的扰动，比如强风吹到树林或者建筑物，风向转弯，形成旋转的风暴，而这时空中的温度、湿度等等又有极大的差异，冷热空气对流，多重因素综合作用下，就可能形成龙卷风，龙卷风中心管道上下两端的压强差很大，足以把地面上的物体吸卷到空中去。在上述实验中，通过瓶盖的小孔或者瓶口喷射出的水流是旋转的，这也反映了另一个现象：虽然我们看不见，但是进入瓶子里的空气也是旋转的，就像龙卷风一样。

四、重心与平衡

走钢丝的杂技演员为什么不会掉下来？很显然，他们掌握了某种让身体保持平衡的技巧，这种技巧的关键就是——重心。

上述实验可以直观地让大家看到一旦掌握了物体的重心，看上去不可思议的平衡就近在眼前。即使遇到一些小的扰动，这种平衡都可以自行恢复，并不会轻易被打破。重心与平衡，在建筑、桥梁等行业是必须掌握的关键因素。

五、虹桥结构

先看一张图——

这是北宋画家张择端的《清明上河图》原作的其中一个场景。画面中的桥梁是一种木结构、无桥墩的大跨度桥，宛如一道彩虹飞架汴河两岸，故得名“虹桥”，又称“飞桥”。这种虹桥结构是宋仁宗明道年间（公元1032~1033年）由一名山东青州的退职狱卒发明的，北宋王辟之在他的笔记《渑水燕谈录》中记载：“青州城西南皆山，中贯洋水，限为二城。先是跨水植柱为桥，每至六七月间，山水暴涨，水与柱斗，率常坏桥，州以为患。明道中，夏英公守青，思以有捍之。会得牢城废卒，有智思，叠巨石固其岸，取大木数十相贯，架为飞桥，无柱。至今五十多年，桥不坏。”

这种虹桥结构叫做“叠梁拱”，桥梁本身重量很轻，抗压强度大，建造速度快，而且坚固耐用，比如上文所记述的青州洋水飞桥“……至今五十多年，桥不坏”。可是，北宋之后，这种桥梁结构在中华大地上一度销声匿迹了，大家以为虹桥已经“失传”了，直到上世纪八十年代，文物工作者在浙江和福建的偏僻乡村一带发现了相同结构的古桥，虹桥这才从《清明上河图》上重现人间。

现在，我们只需要一把筷子，就可以在家里模拟搭建一个简单的虹桥模型——

四百多年后，意大利艺术家和发明家达·芬奇也想出了同样的桥梁结构，于是，在西方，这种桥梁结构就被称为“达·芬奇桥”。显然，这对虹桥的真正发明者——四百多年前中国北宋时期山东青州一位没有留下名字的“牢城废卒”太不公平了。

为什么古人要发明虹桥这种结构呢？上文中的一段话是关键：“……山水暴涨，水与柱斗，率常坏桥……”，在某些地形条件下，比如山洪暴发造成的洪水猛烈冲击桥墩，屡修屡坏，致使常见的有桥墩和立柱的桥梁结构在此类地形条件下失去了实用价值。先不说费钱的事，单从技术上讲：在洪水激流当中修建桥墩也是一项极为困难的工程，甚至是不可能的。因此，建一座不需要桥墩的桥梁就成了当地民众和官府迫切的需要。而这一项造福乡里的发明，居然是由一位青州城退职的狱卒实现的，后来还被广泛传播，进到了京城汴梁，架到汴河之上，再由画家张择端再现到《清明上河图》中，凝固成永恒的历史画卷，成就一段佳话。

上述实验中只用了一把筷子，4个脚，就能支撑起一个玩具猫，可见这种虹桥结构的强度是相当大的。实际上，我们看《清明上河图》中，当时的工匠用的是一排圆木平铺并联、建造成虹桥的桩基和桥面，那个抗压强度就更是大大倍增啦。

六、黑洞老虎机

前往拉斯维加斯的路上，路过美国内华达州的“死谷”的一家路边商场，那里有一台这样的游戏机……

硬币沿着曲面滚动，即使与地面平行亦不倒下。这实际上可以视为一台用于解释“时空漩涡”的模型，但是活活被商场老板跑偏了，改装成“引力场老虎机”，或者也可以称之为“黑洞老虎机”，每天能吃不老少硬币，科学就这样被“玩坏”了。

按照爱因斯坦的相对论，空间和时间不是分离的两样东西，而是交织在一起的一种四维结构，合称“时空/空时（Spacetime）”。任何有质量的物体都会在这种结构上产生“凹陷”，或者“漩涡”，即“时空弯曲”，直观的理解就类似于上述“引力场老虎机”的那种曲面形状。在这种结构中，质量大的物体就会把质量小的物体“吸引”到自己的“漩涡”里来，所谓的“引力”就是这样产生的然而，事实上，并没有“引力”这种东西，“万有引力”是经典牛顿力学用来解释慢速宏观物理世界的概念。在广义相对论里，物体不是被“引力”吸引的，而是被弯曲的时空“导引”着运动的，物体在因为质量而产生的弯曲的时空里做它们的“惯性运动”，直观的理解就如同硬币在“黑洞老虎机”里的运动一样。如果“凹陷”或“漩涡”的曲率足够大的话，连光掉进去都无法逃逸，这就是“黑洞”。

当然啦，上述模型和解释只是借助一个具体的形象工具让初学者对高深的爱因斯坦相对论有个直观的认识，并不是爱因斯坦的本意。专业的相对论解释要深奥晦涩得多。

"Spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve." - John Wheeler 美国理论物理学家惠勒的这句话概括了广义相对论：“时空告诉物质如何运动；物质告诉时空如何弯曲。”

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我在知乎还有另一个跟科学实验有关的帖子，大家如果有空不妨看一看呗——