小現象，大道理——淺析壓力與流體

     （該文章最先於2012年9月22日發表於QQ空間 進入個人空間並查找標題「小現象，大道理——淺析壓力與流體（個人原創）」）

       今天來講說物理，先看一個視頻，http://v.youku.com/v_show/id_XNDUyODU1NTM2.html。這裏不說液態氮的急速昇華膨脹，而說關於桶騰空而起的問題。網上有不少爭論，人們都說是地面對桶底的副作用力致使的。但事實上是因爲流體（空氣）流速和壓強的關係致使的。桶由靜止向上運動一定要有向上的加速度，加速度由其受到的合外力產生。這時候有人想固然的說了，那是地面對桶的副作用力產生！其實不是！

        很簡單的道理，對於靜止的物體無論它對地面施加多大的做用力都不會飛起來，可能有人說了籃球掉地上爲何會彈起來，那我問你一坨泥巴掉地上爲何不會彈起來，這涉及到動能、彈性勢能和內能之間的轉化。物體可以彈起來首先須要具備彈性，在碰撞時，彈性能夠將動能轉換爲彈性勢能，以後又將彈性勢能轉化爲動能，也就是反彈起來；而對於沒有彈性的物體，碰撞時的動能只能轉換爲內能（熱能）。

        有一種特殊的狀況：假如一個靜止的癟的球放在地面上，裏面注入少許的液氮，而後忽然迅速膨脹體積增大，這是能夠彈起來的，這種狀況能夠有兩種合理的解釋：

        一、球和液氮能夠看作一個系統，液氮膨脹的瞬間產生了指向各個方向的壓力，這個力屬於系統的內力，其中指向地面的這部分壓力遠大於球體和內部氮的重力，而此時地面對球的副作用力就遠大於球體系統的重力，也就是球體受到的合外力不爲0，產生加速度使其彈起；

        二、對各個細節進行剖析的更爲科學但複雜的解釋：液氮膨脹也是須要時間的，球的彈起也是須要時間的，在這個過程當中，咱們來分析一下球底部與地面接觸的位置的受力狀況：球底部受到自身重力的壓力、液氮的壓力和地面的壓力，在球離開地面前，球底部保持靜止，說明球底受到的合外力爲0，而當球離開地面，球底更不受地面的壓力，因此能夠排除是地面的壓力給球產生的加速度使其運動，固然地面的壓力的確產生了一種做用，就是讓球各個面在氮氣的壓力下產生不一樣大小的加速度，左右方向的加速度能夠相互抵消，向上的極大的加速使球的上面部分加速向上運動，因爲慣性便帶動整個球體向上運動離開地面，即彈起來了。
        而對於視頻中的桶，由於裏面的球和桶最終分離了，因此不可以當作一個總體系統，所以排除了第一張解釋方式。那麼用第二種解釋方式來分析：桶底依然受到平衡力的做用（包括氮氣對其的壓力和地面對其的壓力），所以桶底沒有向上的加速度，不會使桶向上運動；那麼難道使氮氣對桶壁的壓力？可是根據桶壁的坡度分析，氮氣對桶壁的壓力在豎直方向上的份量向下，也不會使桶向上運動；那有人就說了，只多是乒乓球對桶壁的摩擦力，可是乒乓的摩擦力有這麼大致使桶瞬間彈那麼高？惟一的解釋：流體與氣壓。
        關於流體與壓強，流速越大，壓強越小。簡單的說，當球噴出的瞬間，桶口以上的區域空氣流速很大，壓強很是小，而桶的四周和底部都受到一個大氣壓強，桶壁受到的壓力=大氣壓強x桶表面積，桶底也同樣，對桶壁和底部產生壓力（因爲桶壁的斜面，還能夠產生一個向上的分力），產生加速度使桶向上運動。
        再算一下大概的壓力：一個標準大氣壓：100000N/m2，桶底的面積大概0.4m2，桶大概受到的向上的壓力大概爲40000N，即4000kg，什麼？4噸？沒錯，4噸。不要小看了大氣壓強。其實桶壁和桶底也受到向下的大氣壓，正常狀態下也是4噸，不過此時桶內和上面的空氣在急速流動，壓強很小，因此受到向下的壓力就比較小，所以桶受到向上的合外力大概在2噸，徹底有能力在瞬間彈那麼高。等桶上面的空氣流速減少，壓力差減少，桶天然就要掉下來。