一口氣吹起木塊,到底是不是伯努利原理
這個玩具,你有沒有玩過?拿不起的木塊。游戲很簡單,圓柱木塊放在凹槽里,要求不動外面方塊,把中間的圓木塊取出來。

用手揪,揪,揪,扣,扣,扣,根本弄不出來,怎么辦?

看看墻上這公式,流體力學里最經典的N-S方程。

所以,一口氣把木塊吹出來。

這個方法并不冷門,很多博主都演示過。但這么做的原理是什么呢?
網上最常見的是用伯努利原理這么解釋的:吹氣后,圓柱上表面的氣體流速變大,流速變大則壓強變小,上表面形成低壓區,圓柱就被吸起來。這是一個非常典型的伯努利原理的誤用。


我們用流體仿真軟件AICFD簡單模擬一下,用細管口代替人嘴,給個使足勁兒吹氣的速度20m/s。

計算后結果顯示,圓柱上表面的壓力并沒有變小,而是大于環境壓力的。這就直接否定了上述解釋。

那么真正的原因是什么,我想非理工生可能更容易用直覺感受到,通俗說,氣兒從上沿斜坡流下,擠壓縫隙里的空氣,讓縫隙里氣體壓力變大,就把木塊頂起來了。

稍微不通俗點兒說,就是運動流體遇到阻礙,部分動壓會轉為靜壓。

這個情景中,氣流第一次遇到阻礙是在頂部,所以頂部有個很小范圍的高壓區,然后氣流改變運動方向沿斜坡向下。第二次遇到阻礙是到環形縫隙處,然后斜向上流出。

從速度云圖可以看出,整個過程中縫隙里的空氣近似靜止,所以你可以想象縫隙頂部有一層看不見的隔膜,上方氣流涌動,氣體撞擊隔膜,部分動壓轉為靜壓,壓力變大,而隔膜下方風平浪靜。

根據帕斯卡定律,不可壓縮靜止流體中任一點受外力產生壓強增值后,此壓強增值將瞬時傳至流體各點。

整個木塊底面將都受到這個高壓,當其大于上面小范圍的下壓力與木塊重力之和時,木塊就會被頂起。

其實動靜壓之間的轉換,就是伯努利原理的核心思想,所以這現象你說可以用伯努利原理解釋也沒錯,
只不過不是因為流速變大,所以上面壓強小;而是因為流速變小,所以下面壓強大了。

至于你說上面空氣流速大,為什么壓強沒有小,那是因為上面的速度是由于你吹氣,你的肺做功給的,并不是靜壓轉化來的,壓強自然不會變小。以后你但凡看到吹氣導致的空氣流速變大,下面緊接著說所以根據伯努利原理壓強就小的表述,幾乎都是錯的。
比如這么解釋吹乒乓球的、吹紙的、吹袋子的、甚至吹沙子的。

回到這個木塊,它設計的一個巧妙點,是圓木塊凹下去一點,當然一方面是因為,不凹下去的話,用手就直接拿上來了,就沒有這個puzzle了;

另一方面如果不凹下去的話,氣沿著斜面從兩側直接流走了,會大大減弱流動氣體對縫隙處的撞擊,動壓轉靜壓就會減弱,底部壓強也就沒那么高,木塊就沒那么容易吹出來了。

軟件仿真算了一下,中間木塊抬高后,向上壓力降低了近一個數量級。

事實證明也確實更難吹出來,當然永遠都可以大力出奇跡。
本期就到這啦,下期見~拜拜
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