网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

空气里吐烟圈算什么?有本事来水里试试!| 正经玩

0
分享至

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


上下滑动查看投稿↑↓

1. 溯洄 的投稿


2. 氵青 的投稿


恭喜投稿的两位粉丝

将获得所标杯

一个

分享赢得纪念品

对于本期实验的投稿

我们将在下期进行投票

我们将为票数最高的两位粉丝

送出

所标杯

一个


投稿方式


投稿时间截止到每周五晚九点。48小时没有和我们互动的用户,我们无法给您发送消息。为了防止联系不到获奖用户的现象发生,请投票最高获奖后及时联系我们。为了截取方便请尽量上传小于45秒的视频或者照片。

编辑:LogicMoriaty & Wonder

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
我和七十的老伴决定,凡是到期的存款,都存到银行卡,都告诉子女

我和七十的老伴决定,凡是到期的存款,都存到银行卡,都告诉子女

花小猫的美食日常
2026-10-24 16:56:13
又曝出轨大瓜,男子自曝妻子出轨班长5个月,班长只给他妻子买过情趣内衣,还曝光俩人大尺度聊天内容

又曝出轨大瓜,男子自曝妻子出轨班长5个月,班长只给他妻子买过情趣内衣,还曝光俩人大尺度聊天内容

汉史趣闻
2026-09-10 18:28:47
日本专家评高市早苗:中国没必要在她身上浪费时间 …

日本专家评高市早苗:中国没必要在她身上浪费时间 …

爱下厨的阿酾
2026-10-19 18:13:58
赚完16亿退役本可闭嘴,他却站出来硬刚姆巴佩!这才是真正的世界级球星

赚完16亿退役本可闭嘴,他却站出来硬刚姆巴佩!这才是真正的世界级球星

曹老师评球
2026-10-29 21:36:46
他是英雄!只因举报电诈大佬,被人悬赏100万,死前被人拔除指甲

他是英雄!只因举报电诈大佬,被人悬赏100万,死前被人拔除指甲

阿讯说天下
2026-10-28 01:01:45
1.5亿股民都不知道:股票已经跌到全部股东都套牢,为什么还会跌

1.5亿股民都不知道:股票已经跌到全部股东都套牢,为什么还会跌

股经纵横谈
2026-10-27 21:08:23
国际金价跌至一年来新低

国际金价跌至一年来新低

澎湃新闻
2026-10-31 09:19:02
见证大连英博夺冠,成为世界足坛的传奇,对于第三方球迷也是幸事

见证大连英博夺冠,成为世界足坛的传奇,对于第三方球迷也是幸事

足球分析员
2026-10-31 07:30:10
黑龙江“土地王”刘辉玉米地被烧后续来了!下架所有有关视频,自述前因后果

黑龙江“土地王”刘辉玉米地被烧后续来了!下架所有有关视频,自述前因后果

裕丰娱间说
2026-10-30 18:40:08
牺牲114人消灭解放军1000人,班公洛战役,印少校一人改变战局?

牺牲114人消灭解放军1000人,班公洛战役,印少校一人改变战局?

楚风说历史
2026-08-19 09:30:03
人类幼崽说漏嘴的时候有多尴尬?网友:无地自容!

人类幼崽说漏嘴的时候有多尴尬?网友:无地自容!

夜深爱杂谈
2026-10-29 21:42:33
第一网红野兽先生,卖零食赚翻了

第一网红野兽先生,卖零食赚翻了

司库财经
2026-10-31 00:23:58
歌手吾恩去世,年仅41岁

歌手吾恩去世,年仅41岁

91.6陕西交通广播
2026-10-31 11:19:05
天天骂外援不中用,可抛弃的外援爆砍30分,球迷:山东真是自毁长城

天天骂外援不中用,可抛弃的外援爆砍30分,球迷:山东真是自毁长城

南海浪花
2026-10-31 09:48:10
意媒:米兰新球场弯角看台倾斜37度,将建成真正的“球迷墙”

意媒:米兰新球场弯角看台倾斜37度,将建成真正的“球迷墙”

懂球帝
2026-10-30 20:07:07
他带着两百根金条悄悄逃往香港,却把价值八百多亿的家产都留在了大陆,一走就是几十年

他带着两百根金条悄悄逃往香港,却把价值八百多亿的家产都留在了大陆,一走就是几十年

磊子讲史
2026-08-04 18:31:52
赖昌星最狠的一招,就是用天价豢养空姐周兵,攻破了海关关长的防线;私生子降生的那一刻,530亿走私帝国的遮羞布被彻底撕碎

赖昌星最狠的一招,就是用天价豢养空姐周兵,攻破了海关关长的防线;私生子降生的那一刻,530亿走私帝国的遮羞布被彻底撕碎

人生录
2026-10-20 00:05:11
快船狂输森林狼26分吞4连败:三球24+7 麦丹23+6+7加兰24分

快船狂输森林狼26分吞4连败:三球24+7 麦丹23+6+7加兰24分

醉卧浮生
2026-10-31 10:26:04
谢贤前女友CoCo大曝张柏芝三胎生父内幕,无底线爆料,账号被封!

谢贤前女友CoCo大曝张柏芝三胎生父内幕,无底线爆料,账号被封!

寻墨阁
2026-03-06 13:57:52
00后整顿家庭纠纷有多炸裂?网友:这题目应该是“00后吹牛x能有多离谱”

00后整顿家庭纠纷有多炸裂?网友:这题目应该是“00后吹牛x能有多离谱”

带你感受人间冷暖
2026-09-19 00:08:40
2026-10-31 17:07:00
中科院物理所 incentive-icons
中科院物理所
爱上物理,改变世界。
10560文章数 136651关注度
往期回顾 全部

头条要闻

男子陆续典当1980克金条一直不赎回 老板起疑查验傻眼

头条要闻

男子陆续典当1980克金条一直不赎回 老板起疑查验傻眼

体育要闻

决胜时刻三连击!勒布朗绝命补篮价值千金

娱乐要闻

赵丽颖解锁新身份 出任金鸡创投主评审

财经要闻

Meta、谷歌、英特尔增发认购者集体浮亏

科技要闻

苦等两年!国行苹果AI下周开测,12月推出

汽车要闻

钛7上市一年销量突破30万 海外半年销量2.7万

态度原创

艺术
游戏
家居
教育
时尚

艺术要闻

3位欧美画家的15幅绘画作品

时隔十八年 GTA6将踏板车兄弟梗改为实用功能

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

教育要闻

贵州山区对江镇实验学校支教第三天

别再穿马蹄鞋、小棕鞋了,这双鞋才是秋冬穿搭的“顶流”

无障碍浏览 进入关怀版