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空气里吐烟圈算什么?有本事来水里试试!| 正经玩

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你见过“烟圈”吗?

火山喷发时,偶尔会吐出巨大的烟圈;
海豚在水下,也能吹出漂亮的气泡环。

那你有没有想过,
水也能像空气一样,“吐出烟圈”吗?

其实,只需要一根吸管再加上一点彩色的水,
轻轻松开手指——

一个水下“烟圈”就诞生啦!

它不仅能在水中自由穿梭,
遇到障碍物还会变形、扩张!

这些神奇的圆环,
究竟藏着怎样的物理奥秘?

今天,就让我们一起
探索水下“烟圈”的奇妙世界!

实验器材

略粗一些的可弯折吸管、剪刀(未出镜)、水槽、水溶性色素、烧杯或是其他容器、所标杯


安全提示:工业色素可能具有一定毒性,请做好相应安全措施,并由成年人进行操作。推荐使用更加安全的食用色素。安全提示:常见的工业色素可能存在毒性,如为了实验效果要使用请做好安全措施后由成人进行操作,建议使用食用色素。

将色素倒入烧杯中,用搅拌棒搅拌,使其充分溶解。溶液的颜色越深,后面的实验现象越明显。


对吸管进行适当裁剪,剪去尖头一端的端部,然后将吸管折弯。这里可以适当将吸管较短的一头再剪短一些。


第三步:

把吸管较短的一端完全浸没在色素溶液中,此时色素溶液会流入吸管较长的一端。

然后用手指堵住长端,缓缓将吸管提出水面,此时由于大气压强的作用,吸管中的水并不会顺着开口流下。


第四步:

将吸管缓缓置入事先注满水的水槽中,确保吸管中水面高于水槽少许,将手指松开,此时溶有色素的水就会顺着吸管流入水槽中。


仔细观察从吸管中流出的水,你就会发现一个神奇的现象:吸管“吐出”的水竟然是环形的,在水中移动的效果就和吐出的烟圈一模一样!

第五步:

为了让大家看到更好的效果,我们换用了一种工业荧光染料“罗丹明B”进行演示。(该染料存在毒性,仅用于演示实验效果,请勿模仿)


现在结果就一目了然了。当然,我们准备了一些更高级的操作,比如说下面这个连吐三个烟圈,你能复现吗?


原理解说

在刚才的实验中,我们只用一根吸管就制造出了能够在水中自由穿梭的彩色圆环,那么这些圆环究竟是怎样形成的?为什么离开吸管后,它们还能继续向前运动呢?

要回答这些问题,就需要请出流体力学中的一位老朋友——涡环(Vortex Ring)。这个小实验的灵感来自于 Elijah James 等人上传到arxiv上的科研论文,他们详细地讨论了基本物理原理以及不同的物理参数下涡环的状态 [1]。你看,其实科学研究并不是一件高不可攀的事情,咱们日常生活中的游戏,经过严谨的比对和分析,也能够形成一项不错的科研工作。

首先,让我们回到涡环产生的一瞬间。

当松开吸管上端的手指时,吸管内外的液面高度差产生静水压差,推动彩色水从吸管口喷出。然而,喷出的水流与周围近乎静止的水之间存在明显的速度差。在黏性作用下,两者交界处形成速度迅速变化的区域,称为剪切层(Shear Layer)。

这种速度的空间变化会产生局部旋转运动,物理学家用涡量(Vorticity)来描述它:

ω = ∇ × v

随着水流喷出,携带涡量的剪切层逐渐卷起,最终形成一个首尾相接的环形旋涡,也就是我们看到的涡环。如果把涡环想象成一个甜甜圈,那么内部的水并不是简单地沿着圆环转圈,而是在绕着甜甜圈的环形中心线旋转。


不过,还有一个关键的问题,吸管明明已经停止喷水,为什么涡环还能继续向前运动呢?难不成这小小的水圈上还自带个发动机?

其实,涡环自身的旋转运动,就能够产生推动整体向前传播的诱导速度。根据与大家初中二年级就学过的电磁学毕奥–萨伐尔定律形式相似的流体力学关系,涡环各部分产生的速度场相互叠加,使整个涡环沿着对称轴向前运动。

当然,能量守恒定律告诉我们涡环并不能凭空获得能量。它的能量来自最初喷出的水流,随着黏性耗散和周围水流的卷吸,涡环也会逐渐减弱、消散。


此图片由AI生成,图中细节可能存在一些错误,请注意甄别。

然而,涡环的奇妙之处还不止于此。

我们考虑这样一个问题:涡环究竟能长多大呢?是不是吸管里喷出的水越多,形成的涡环就越大?

为了研究这个问题,科学家引入了一个无量纲参数——冲程比(Stroke Ratio),也就是喷出水流的等效长度与喷口直径之比。在我们的吸管实验中,它可以近似表示为吸管内外的初始液面高度差与吸管直径之比。

有趣的是,涡环的生长并不是没有极限的!研究发现,在典型条件下,当冲程比达到约4时,主涡环便逐渐接近能够容纳的环流上限。此后继续喷出的水,可能无法再融入主涡环,而是在后方形成拖尾或次级旋涡。

聪明的你或许已经参透了这个实验的诀窍所在:只有控制合适的冲程比,才能实现最理想的涡环!


不同冲程比的喷射产生的涡环结构与拖尾。图片来源:Elijah James et al., A bent straw as a tool for an affordable student-safe experiment in vortex ring dynamics, Fig. X, arXiv:2605.08430 (2026), CC BY-NC-SA 4.0。

看到这里你或许会感到疑惑,神奇的涡环难道只是实验室的产物吗?事实上并非如此,自然界中就有不少制造涡环的高手。

《指环王》系列电影中比尔博和甘道夫吐出的烟圈、意大利的埃特纳火山向天空喷出巨大的环形云雾,都是很好的例子。此外海洋中的海豚也能制造漂亮的气泡环,甚至把它们当作玩具。而看似慢悠悠的水母,同样是利用涡环的高手。它们通过收缩和舒张身体,在周围水中形成涡环,借助水流的动量变化推动自己前进。


从电影到自然界,涡环无处不在。图片来源:New Line Cinema / Warner Bros.(《指环王:护戒使者》);DavidMPyle / Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0);BBC《Ocean Giants》/ PBS Nature;Hans Hillewaert / Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)。图片经裁切、拼接处理。

从火山喷发到海洋生物的运动,再到我们手中普普通通的吸管,看似毫不相关的现象,背后却遵循着相似的流体力学规律。

看来,实验装置可以很简单,但它背后的物理世界,可一点都不简单!

参考文献

[1] James, E., et al. (2026). A bent straw as a tool for an affordable student-safe experiment in vortex ring dynamics. American Journal of Physics, 94, 142–148. arXiv:2605.08430


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