神奇的悬浮小球

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我们在园林或宾馆大厅中，常常会看到大理石球或水晶玻璃球在喷泉水柱上浮滚不息的奇妙景象。奇怪的是，石球或水晶球稳稳地在水柱上旋转，不会跌落下来。是什么神奇的力量在撑托呢？在解答这一问题之前，先来看一个悬浮小球的演示实验。

悬浮小球演示仪由箱子、大功率电吹风机、支架和三个轻质小球组成。电吹风机放置在箱内，上板开孔，电吹风机出风口对准孔竖直向上，下板开孔，电吹风机进风口对准孔竖直向下，支架放置在箱子上；支架由三根铜杆及三个铜环和塑料集气漏斗组成。

箱子用5mm厚度的透明有机玻璃制作，体积为260mm×260mm×130mm，底板开直径50mm进风孔，上板开与电吹风机出风口等大的孔，将大功率理发用电吹风机固定于箱子内，上下两孔中心在同一竖直线上。

支架由高度600mm、直径150mm的三根细铜杆和三个铜环组成，铜环间距100mm,铜环上安装塑料薄膜条。剪下5L圆形油桶的桶口部分，留下漏斗形，安装在支架上端，口向上，漏斗口与铜杆齐平。

选取几个轻质小球。将大功率电吹风机固定于箱子内，接通电源使吹风口向上吹出高速气流。气流中悬浮一个小球时，小球的高度较高，也很稳定。悬浮两个不同质量的小球时，两个小球上下稳定分布；悬浮两个同样的小球时可以看到两球相争、上下翻滚的有趣现象。同时观察铜杆支架上的三个铜环上塑料薄膜条的飘动方向。

小球在气流中既不会被气流吹走而跑到外边去，也不会掉下来，这一现象体现了伯努利效应。1726年，伯努利通过无数次实验发现，流体速度加快时,物体与流体接触的界面上的压力会减小，反之压力会增加。伯努利效应适用于包括气体在内的一切流体,是流体作稳定流动时的基本现象之一，反映出流体的压强与流速的关系，流速与压强的关系：流体的流速越大，压强越小；流体的流速越小，压强越大。当小球被放置到气流中时，小球下方气流的流动空间被压缩，气流速度加快，因此压强减小；而小球上方的气流速度相对较慢，压强相对较高，在小球的上下方造成压力差，形成一个向下的力。该力与气流的冲力、小球重力的共同作用，使小球最终各力相互平衡而悬浮于空中一定位置上。竖直方向的不同高度处上有三个铜环，三个铜环上的塑料薄膜短条，可指示所在位置处的气流流动方向。

解开了悬浮小球的秘密，再来看文章开头的问题，伯努利效应同样适用于液体。处在水柱上的大理石球若往外倾斜，就会造成水流速度差异，变化的水压就会使球往内运动，保持原来的平衡状态。

如果你经常观看足球比赛的话，一定见过罚前场直接任意球。这时候，通常是防守方五六个球员在球门前组成一道“人墙”，挡住进球路线。进攻方的主罚队员，起脚劲射，球绕过了“人墙”，眼看要偏离球门飞出，却又沿弧线拐过弯来直入球门，让守门员措手不及，眼睁睁地看着球进了大门。这就是颇为神奇的“香蕉球”，它也是伯努利效应的杰作。

请看图1，图中的线代表的是空气流动的情形，该图代表足球在没有旋转时水平运动的情形，当足球向前运动，空气就相对于足球向后运动。图2代表足球只有旋转而没有水平运动的情形，当足球转动时，四周的空气会被足球带动，形成旋风式的流动。图3代表水平运动和旋转两种运动同时存在的情形，也即是“香蕉球”的情形，这时候，足球右面空气流动的速度较左面大。根据伯努利效应，流体速度较大的地方气压会较低，因此足球右面的气压较左面低，产生了一个向右的力。结果足球一边向前运动，一边承受一个把它推向右的力，形成了弯曲球路。