第40节:洒落的烛光

附注:

芹菜梗能够比其他较细的花茎更好地展现木质组织的结构。从一棵新鲜芹菜上取下一根梗,削去底端,形成新的切面并把芹菜枝放入盛着有颜色的水的花瓶中;放置几个小时之后,取出芹菜梗,擦干净接着再切断菜梗。这时在截面上你会看到一些鲜明的点,显示出吸取有色水的木质组织的部位。

洒落的烛光

在旋转台上放置的蜡烛,它的火焰为什么会指向内侧而不是外侧?

第一次听到这个现象时我们很吃惊。当我们在《新科学家》的办公室尝试着重复这个实验时,我们没能让它如愿实现。点燃蜡烛并接通旋转台电源后,蜡烛在绕着转台中心转动时火焰拖向蜡烛后面,就像拿着蜡烛行走时的情景一样。后来,有人建议用一个果酱瓶试一下……

所需的材料

一支蜡烛

一个旋转台(如果有台老式的留声机,可以用它的转盘,设置在每分钟45转或78转;制作陶器的转台和旋转的奶酪板的效果也不错)

一个大果酱瓶或其他类似之物

如果想进一步做这个实验,将需要:

一辆汽车

一个氦气球

一个酒精水准仪

要做的事情

把蜡烛安放在转台上,可以使用较重的橡皮泥座,不过宽底的蜡烛台更好。点燃蜡烛,把果酱瓶扣在蜡烛上,并转动转台。注意保证让空气能够从果酱瓶底部进入,不然蜡烛会因缺氧而熄灭。可以考虑把这个实验和“充气空间”的实验结合起来,因为所需的实验设备相同。

会看到的现象

蜡烛的火焰不会由于旋转台的运动而被向外偏出,也不会拖向蜡烛的后方,由于果酱瓶阻挡了气流的吹动,火焰实际上向内指向旋转台的中心。

究竟发生了什么

旋转的果酱瓶中的空气其实等于是在一台离心机中旋转。这意味着,蜡烛火焰弯向转台内侧的原因和正常情况下其指向正上方的原因是相同的。包围着火焰的受热空气要比四周较冷的空气密度小。因此,当转台旋转时,正是这些密度较高、较冷的空气要向外运动;受热的、密度较小的火焰气体,由于旋转系统向心力的作用会向内侧运动。向心力是作用在沿环形路径运动的物体上的力,指向物体运动所围绕的中心。

我们容易这样认为,火焰是由“什么”所构成的,因为我们可以看见火焰;而火焰外围的空间则没有任何“什么”去构成,因为我们什么也看不见。因此,我们的大脑会本能地作出臆断,随着转台的旋转火焰会向外运动,就像一团棉花或是一片纸一样。但是,纸片和棉花都比其四周的空气密度大,而火焰的密度则要比四周空气的密度小。因此,看得见的火焰向内运动,而看不见的空气向外运动。这显然与我们大脑对可见物体的解释相矛盾。

思考一下一个类似的问题,对于理解蜡烛火焰指向内侧的原因,也许是一个更简单的途径。如果你驾驶着一辆汽车,车里载着一个用绳子拴着的氦气球。用力踩下刹车,你会猛力向前绷紧安全带,而气球将会向车的后部运动。这是因为汽车里的空气具有惯性,会和你一样继续向前,然而气球的反应是向气压低的地方,也就是气体密度低的部分飘浮,此时低密度空气出现在汽车后部。类似地,这个拴着的气球在汽车加速的情况下会向前倾,在汽车弯道转弯时会向内侧倾,这和蜡烛旋转时火焰倾斜的道理一样。

蜡烛火焰和气球差不多,都是飘浮状态的。火焰的形状产生于蜡芯处燃烧的蜡和其周围空气受热过程之间的十分复杂的相互作用。这样,和气球一样,火焰同样飘向低气压的方向——飘向旋转台中心的转动轴。进一步对比,蜡烛就像汽车,相对于火焰周围的空气被加速,于是空气相对于蜡烛快速向外侧运动,而火焰通过向内侧飘动做出反应。

如果要尝试本实验的这项扩展,不用说,在实验的时候驾驶员应该将目光集中在道路上;如果路况较滑,不要急刹车;实验的具体内容应该由一名乘客进行,他应不会分散驾驶员的注意力。实验只能在私用地域进行,那里没有其他车辆和行人;此外,车辆里的所有人都必须正确系上安全带。

作为这一现象的最后可视实验,把一个酒精水准仪放在实验的旋转台上,放置水准仪的方向要像自行车车轮上的车条那样从台子的中心指向外,然后转动旋转台。因为水准仪中的酒精比气泡密度更大,气泡会被推向内侧,所以水准仪中的气泡会向内而不是向外运动。

附注:

阿拉斯加大学的苏·安·褒玲说,她若是真的挑剔,她会提出,果酱瓶中作用在空气上的向心力给了密度较低的蜡烛火焰更大的加速作用。牛顿定律表明,对于同样大小的力,质量和加速度的乘积相同。因此,如果质量较小,加速度一定较大。她的解释在技术上当然是正确的,但是,向心力对密度较大的空气要比对密度较小的蜡烛火焰作用更大,对于我们这些门外科学家来说理解起来更简单些。

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