用身邊常見器材，做大氣壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)

張軍

人類生活在空氣里，就像魚生活在水中。我們的呼吸離不開氣壓，抽水機(jī)抽水離不開氣壓，飛機(jī)上天也離不開氣壓。今天，我們就用常見器材，來(lái)做做有關(guān)大氣壓的實(shí)驗(yàn)。

證明大氣壓的存在

證明大氣壓存在的方法有很多。

最簡(jiǎn)單的方法是找一個(gè)空飲料瓶，往里面加少許開水，晃動(dòng)幾次后將水倒出去，同時(shí)迅速將瓶蓋擰緊。當(dāng)飲料瓶溫度降下來(lái)，瓶子便慢慢變形了，就像有一只無(wú)形的手將它壓縮、扭曲。這只“手”就是大氣壓。開水產(chǎn)生的水蒸氣“擠”走了瓶?jī)?nèi)的“空氣原住民”，導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)氣體主要是水蒸氣。溫度下降造成瓶?jī)?nèi)氣壓減小，水蒸氣液化為小水珠，導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)氣壓進(jìn)一步減小;瓶子外面的大氣壓毫不手軟，對(duì)瓶體實(shí)施了合圍、夾擊，導(dǎo)致飲料瓶被壓扁。同時(shí)我們也看到了，力可以使物體發(fā)生形變。

用吸盤掛鉤證明大氣壓的存在也很簡(jiǎn)單。將兩個(gè)吸盤壓在一起，擠去中間的空氣，大氣壓就會(huì)讓它們緊緊相擁了。想直接向兩邊拉開它們，可要費(fèi)點(diǎn)力氣了（圖1）。

我們?cè)谏钪薪?jīng)常使用吸盤裝置，比如吸盤掛鉤，可以掛個(gè)小毛巾、掛個(gè)啤酒扳手;比如浴室的防滑墊，底部遍布吸盤;比如吸盤球，往平整的物體表面一扔，就會(huì)“吸”上去，很是減壓;比如吸盤杯墊，可以讓杯子牢牢固定在水平或豎直的光滑物體表面（圖2）。現(xiàn)在就來(lái)問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)題：吸盤被大氣壓壓在豎直墻壁上，掛上重物后，吸盤為什么不掉下來(lái)？有人可能會(huì)錯(cuò)答為“因?yàn)榇髿鈮骸?，這說(shuō)明沒有掌握物體受力分析的方法。“不掉下來(lái)”的含義是“在豎直方向保持靜止”，所以在豎直方向上應(yīng)該“受力平衡”，向下的力是重物對(duì)吸盤的拉力和吸盤受到的重力，向上的力是墻壁施加的摩擦力！

如果有廣口瓶，同時(shí)也愿意損失一個(gè)雞蛋，我們還可以做一個(gè)“瓶口吞吐蛋”的實(shí)驗(yàn)。煮熟的雞蛋去殼備用，將開水倒進(jìn)廣口瓶，晃一晃再倒掉，趕走里面的空氣，然后將去了殼的雞蛋迅速放到瓶口。由于雞蛋的橫截面大于瓶口，所以雞蛋不會(huì)掉進(jìn)瓶?jī)?nèi)。但隨著廣口瓶?jī)?nèi)氣壓減小，外界大氣壓對(duì)雞蛋下手了。雞蛋慢慢被壓入瓶中，腰圍明顯變?。▓D3）。如果想讓雞蛋快速進(jìn)入瓶?jī)?nèi)，可以在瓶子外面澆冷水。如果不想讓雞蛋掉進(jìn)瓶子里拿不出來(lái)，可以見好就收，往瓶子外面澆熱水，瓶?jī)?nèi)膨脹的空氣就會(huì)把雞蛋重新托舉出來(lái)。雞蛋經(jīng)歷了驚魂一刻，但是瘦身效果很明顯。做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的前提是廣口瓶要能經(jīng)得住冷熱考驗(yàn)，普通瓶子可能會(huì)破裂。

利用大氣壓，我們可以把吸管當(dāng)成滴管使用。將吸管插入水中后，用手指堵住上面的管口，再把吸管從水中取出來(lái)，吸管里就會(huì)提起一段水柱，因?yàn)榇髿鈮旱拇嬖冢粫?huì)掉落。用堵住管口的手指小心地控制管口的透氣量，吸管里的水就會(huì)一滴一滴落下來(lái)（圖4）。想獲得更長(zhǎng)的水柱，我們可以使用長(zhǎng)玻璃管。理論表明，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，這個(gè)水柱的最大長(zhǎng)度是10.33米。

利用大氣壓，我們可以檢查塑料滴管的氣密性。用手指堵住捏扁的滴管口，若滴管不漏氣，則外界氣體無(wú)法進(jìn)入滴管內(nèi)，滴管乳頭就會(huì)保持變癟的狀態(tài);相反，如果乳頭恢復(fù)原狀了，就說(shuō)明滴管有地方漏氣。

利用大氣壓，我們還可以用飲料瓶做個(gè)澆花器。用錐子在飲料瓶瓶底扎若干個(gè)小洞，倒入水后，水在重力作用下會(huì)從瓶底流出。這時(shí)把蓋子擰緊，瓶?jī)?nèi)水面下降，導(dǎo)致水面上方空氣體積變大而氣壓減小，外界大氣壓就會(huì)把瓶底的小孔“捂住”，導(dǎo)致水流不出來(lái)。擰開蓋子，空氣進(jìn)入瓶?jī)?nèi)，水又會(huì)流出來(lái)。這樣，流與不流就盡在掌握了（圖5）。當(dāng)瓶里水流完，我們可以向飲料瓶?jī)?nèi)注水，也可以讓飲料瓶自己“吸水”——擰緊瓶蓋后，將瓶子捏扁，然后將瓶底浸入水中，松開手，飲料瓶在自身彈力作用下恢復(fù)原狀，導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)空間體積變大而氣壓減小，外界大氣壓就會(huì)將水從瓶底小孔壓進(jìn)瓶?jī)?nèi)，澆花器就變成了吸水器。

針筒里的空氣

我們常說(shuō)，用針筒可以“吸”取液體，其實(shí)科學(xué)的說(shuō)法是，外界氣壓將液體“壓”進(jìn)針筒。當(dāng)抽動(dòng)活塞時(shí)，活塞與注射器孔間的空間體積變大，導(dǎo)致氣壓小于外界大氣壓，液體就被“壓”進(jìn)針筒了。如果在針筒里吸入空氣，然后堵住注射孔，壓縮活塞，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，空氣體積會(huì)減小，但是很快就壓不動(dòng)了，這是因?yàn)榭諝夥肿娱g存在相互作用的斥力（圖6）。如果針筒足夠結(jié)實(shí)，你的力氣又足夠大，壓縮可能導(dǎo)致針筒里的氣體呈現(xiàn)“液態(tài)”。壓縮到不能壓縮時(shí)，突然松開活塞，被壓縮的空氣表現(xiàn)出一定彈性，會(huì)將活塞推開（圖7）。這個(gè)過(guò)程中，針筒內(nèi)空氣的內(nèi)能減小，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。如果有精密的溫度計(jì)測(cè)量，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)膨脹后的空氣溫度下降了。炮彈出膛也是這個(gè)原理，火藥燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓氣體對(duì)彈頭做功，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為彈頭的機(jī)械能。這個(gè)過(guò)程在瞬間完成，功率很大。柴油機(jī)、汽油機(jī)的做功沖程也是這個(gè)原理，油料燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓氣體推動(dòng)活塞，帶動(dòng)連桿、曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化來(lái)的機(jī)械能輸出。而壓縮氣體時(shí)，會(huì)導(dǎo)致空氣溫度升高，這時(shí)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。給自行車打氣時(shí)，氣筒壁溫度會(huì)升高，這就是因?yàn)閴嚎s體積做功使空氣溫度升高，空氣又將“熱”傳給了氣筒壁。

空氣被壓縮后也會(huì)變“硬”。將吸管一端剪尖，然后將尖部戳向梨子，很難扎得深;如果用大拇指將另一端堵住，再扎向梨子，則可以扎得較深。大拇指與果肉在吸管內(nèi)制造了一段壓縮的空氣柱，使整體強(qiáng)度大大增加（圖8）。

將針筒的活塞推到底，讓注射孔朝上并堵住，向下拉活塞時(shí)會(huì)很費(fèi)力，因?yàn)槟惚仨毧朔饨绲拇髿鈮毫?。橫截面積為4平方厘米的活塞，受到的大氣壓力約為40牛。也就是說(shuō)，即使在活塞下面掛4 千克的重物，活塞也會(huì)巋然不動(dòng)。

在針筒里吸入一些熱水，堵住注射孔，迅速向外拉動(dòng)活塞，你會(huì)看到針筒里的水沸騰了！這是因?yàn)?，拉?dòng)活塞時(shí)，水面上方氣壓減小，導(dǎo)致了水的沸點(diǎn)降低，在不到100℃的情況下，水也會(huì)沸騰。

在高壓鍋發(fā)明之前，高山上的居民是吃不到水煮肉的，水沸騰后再怎么加熱，溫度也保持不變，沸點(diǎn)低，導(dǎo)致肉煮不熟。但是他們可以吃烤肉，將肉直接架到火上烤，或者將肉鋪在石頭上，再用火給石頭加熱。

流動(dòng)的空氣更好玩

我們已經(jīng)知道，當(dāng)流體流動(dòng)起來(lái)時(shí)，壓強(qiáng)會(huì)減小，這樣我們就有了更多的玩法。

一般的玩法大家都會(huì)，往兩張紙中間吹氣，兩張紙反而靠近了;往兩個(gè)懸掛的氣球中間吹氣，氣球反而靠近了;將紙折一下放在桌面上，像個(gè)小屋頂，往“屋頂”下面輕輕吹氣，“屋頂”居然坍塌，貼在了桌面上（圖9）。

下面，再教你幾種動(dòng)感十足的玩法。

點(diǎn)燃蠟燭，通過(guò)吸管向火焰旁吹氣，火焰會(huì)彎向吸管（圖10）。將吸管彎頭處折成90?，在豎直的管口上方放一個(gè)乒乓球，同時(shí)從水平的管口向內(nèi)吹氣。你猜怎么著？乒乓球會(huì)浮在管口上方，晃動(dòng)、滾動(dòng)、擺動(dòng)，就是不掉下來(lái)。這是因?yàn)槠古仪蛳路降目諝饬魉僮兇螅瑲鈮簻p小，上方和四周的大氣壓會(huì)將乒乓球“握在掌心”，牢牢掌控（圖11）。

我們知道，將一個(gè)乒乓球塞進(jìn)漏斗口，用力從管口吸氣，大氣壓會(huì)把乒乓球壓在漏斗內(nèi)而不掉落。但是，如果從管口向內(nèi)吹氣呢？乒乓球也不會(huì)掉落，這同樣是因?yàn)槠古仪蛏厦娴目諝饬魉僮兇罅?，?dǎo)致氣壓減小，乒乓球下方的氣壓會(huì)將乒乓球壓在漏斗內(nèi)（圖12）。

剪兩截吸管，一截豎直插入水中，上面的吸管口離水面要近一些;另一截吸管水平放置，一端管口與豎直放置的吸管口垂直，從另一端向內(nèi)吹氣。猜猜會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？豎直的吸管口空氣流速變大，氣壓減小，水面的氣壓會(huì)迫使水沿著吸管爬到管口，橫向的氣流則將爬出管口的水吹散，形成水霧——我們做出了一個(gè)口吹噴霧器（圖13）。如果背對(duì)著太陽(yáng)，角度合適的話，還會(huì)看到水霧中的彩虹。下次就可以一邊給花噴水，一邊練肺活量，一邊欣賞彩虹了。

讓一個(gè)紙筒從高處掉落，通常情況下，紙筒會(huì)沿直線向下運(yùn)動(dòng)。但是，如果讓紙筒一邊旋轉(zhuǎn)一邊下落呢？用寬一些的紙帶，將紙筒纏繞幾圈，拿到高處放手，紙筒便會(huì)一邊旋轉(zhuǎn)一邊下落了（圖14）。

如圖15，左側(cè)的空氣相對(duì)于紙筒的流速較大，因此氣壓較小;右側(cè)空氣相對(duì)于紙筒的流速較小，因此氣壓較大。這樣就產(chǎn)生了一個(gè)方向向左的氣壓差，紙筒在下落的同時(shí)，受到向左的大氣壓力，因此向左偏，軌跡呈現(xiàn)弧形。乒乓球的旋轉(zhuǎn)球和足球的“香蕉球”也是這個(gè)原理，調(diào)整施力的作用點(diǎn)和方向，讓球一邊旋轉(zhuǎn)一邊前進(jìn)，軌跡呈現(xiàn)弧形，會(huì)給對(duì)手的防守造成困難。

利用這個(gè)原理，我們可以把一次性紙杯變成飛行器。將兩個(gè)紙杯的底部粘在一起，并用雙面膠和紙帶固定，做成飛行器主體。將幾根橡皮筋連成長(zhǎng)條，做成彈性發(fā)射器。左手握住飛行器左端的紙杯，并用大拇指壓住橡皮筋的一端;右手捏住橡皮筋的另一端，拉長(zhǎng)后往下、往前，在紙杯中部繞2～3圈，斜向前上方用力，將飛行器射出。旋轉(zhuǎn)飛行的紙杯因下方空氣壓力大，獲得了一個(gè)向上的升力，可以在空中飛行一段時(shí)間（圖16）。同學(xué)們可以進(jìn)行比賽，看看哪個(gè)飛行器的滯空時(shí)間最長(zhǎng)。也可以一個(gè)人發(fā)射，另一個(gè)人用手接住飛行器，變成兩人合作的游戲。

（責(zé)任編輯：白玉磊）