坐電梯時(shí)耳朵像被堵住了一樣，這和“活塞”有什么關(guān)系？｜正經(jīng)玩

把一片紙憑空松開，它當(dāng)然會(huì)掉下來。

但如果把它放進(jìn)一個(gè)直徑幾乎相同的圓筒里，

事情就變得奇怪了——

紙片沒有直接落到底部。

慢悠悠地向下移動(dòng)。

究竟是誰攔住了紙片？

實(shí)驗(yàn)器材

透明圓筒、紙或薄卡紙、剪刀、直尺圓規(guī)、所標(biāo)杯

！！！安全提示：使用剪刀和圓規(guī)時(shí)注意安全，小朋友請?jiān)诩议L陪同下完成。避免使用容易破裂的玻璃容器。

實(shí)驗(yàn)步驟

用直尺簡單測量圓筒的內(nèi)徑，在紙上用圓規(guī)畫出一個(gè)稍稍小的圓。

將畫好的圓剪下來。紙片的直徑要和圓筒內(nèi)徑非常接近，但又不能完全卡住，根據(jù)實(shí)際效果調(diào)整大小。

第三步：

將圓筒豎直放置（如果使用的是兩端貫通的管子，最好用膠帶或薄膜封住下端；也可以將下端緊貼在平整的桌面上，盡量減少漏氣）。將圓形紙片豎直放在筒口，然后輕輕松手。

紙片一開始快速墜落，但馬上瞬間剎車減速，保持大致水平，以非常緩慢的速度向下移動(dòng)，同時(shí)伴隨輕微的左右搖晃。

第四步：

用慢鏡頭觀察一開始下落的紙片姿態(tài)：剛松手時(shí)，紙片會(huì)先快速向下墜落。但只過一瞬間，它便會(huì)在筒內(nèi)發(fā)生傾斜和翻轉(zhuǎn)，速度突然慢下來，仿佛在半空中踩了一腳剎車。

第五步：

將紙片邊緣再剪掉一小圈，讓紙片與筒壁之間的縫隙變寬，然后重新釋放。即使直徑只縮小了一點(diǎn)點(diǎn)，紙片的姿態(tài)搖擺不定，下降速度也明顯增加。

第五步：

最后打開圓筒底部，或?qū)A筒稍微抬離桌面，再進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，看看有什么現(xiàn)象？

原理解說

紙片剛進(jìn)入圓筒時(shí)，基本是豎直下落的。這時(shí)候它并沒有擋住管道，空氣還能從兩側(cè)比較順暢地繞過去，所以紙片下落得很快。不過，豎著往下掉的薄紙片本來就不太穩(wěn)定，稍微受一點(diǎn)氣流擾動(dòng)，就容易傾斜、翻轉(zhuǎn)。

等紙片慢慢轉(zhuǎn)成接近水平的狀態(tài)時(shí)，情況就變了。它幾乎把圓筒的整個(gè)截面都擋住了，空氣也沒法再像剛開始那樣自由通過。 這時(shí)候，紙片有點(diǎn)像一個(gè)不完全密封的活塞。它在重力作用下繼續(xù)往下走，就會(huì)不斷壓縮下面的空氣。由于圓筒底部相對封閉，這些空氣不能立刻排出去，下面的壓力就會(huì)升高，并對紙片產(chǎn)生一個(gè)向上的作用力。

當(dāng)然，紙片并沒有把圓筒完全封死。下面的空氣還是可以從紙片邊緣和管壁之間那道窄窄的環(huán)形縫隙里，慢慢漏到上面去。 但空氣并不是完全沒有阻力的。它是一種有黏性的流體。在這么窄的縫隙里，靠近紙片和管壁的空氣流動(dòng)會(huì)受到明顯限制，很難一下子通過太多。紙片掉得越快，下面來不及排出的空氣就越多，壓力也就越大，對它的阻礙自然越明顯。

所以，當(dāng)紙片翻成接近水平之后，速度會(huì)很快降下來，最后以一個(gè)比較小的終端速度慢慢往下落。 這個(gè)現(xiàn)象可以理解成一種空氣阻尼，也可以叫空氣墊效應(yīng)。更嚴(yán)格一點(diǎn)說，它屬于受限圓片下落時(shí)，由環(huán)形窄縫里的泄漏流產(chǎn)生的黏性阻尼，和“擠壓膜空氣阻尼”在機(jī)制上很接近。

在理想的層流模型里，空氣通過縫隙的能力大致和縫隙寬度的三次方有關(guān)。也就是說，縫只要稍微寬一點(diǎn)，空氣就會(huì)容易通過很多，紙片下落速度也會(huì)明顯變快。 這就是為什么紙片的直徑必須和圓筒內(nèi)徑非常接近。紙片太大，會(huì)直接卡住；太小，空氣又會(huì)輕松從四周繞過去，慢慢下落的效果就不明顯了。如果在紙片中央再打一個(gè)孔，也會(huì)出現(xiàn)類似結(jié)果，因?yàn)榭諝舛嗔艘粭l更直接的通路，紙片上下兩側(cè)的壓力差就更難維持。

那為什么紙片還會(huì)輕微搖晃呢？

因?yàn)榧埰豢赡苁冀K保持絕對水平，也很難始終位于圓筒的正中央。紙片只要稍微傾斜，一側(cè)與管壁之間的縫隙就會(huì)變窄，另一側(cè)則會(huì)變寬。空氣更容易從較寬的一側(cè)泄漏，使紙片下方的壓力分布變得不均勻，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，推動(dòng)紙片調(diào)整姿態(tài)。紙片被推回去后，又可能因?yàn)閼T性稍微轉(zhuǎn)過頭，隨后壓力分布再次改變，把它推向相反方向。

于是，在整個(gè)下降過程中，紙片會(huì)不斷經(jīng)歷“傾斜—糾正—再次傾斜”，表現(xiàn)出輕微的左右搖晃。自由下落的薄圓片本來就可能出現(xiàn)俯仰、擺動(dòng)甚至翻滾，只是在圓筒的限制下，大幅運(yùn)動(dòng)受到抑制，最后只留下這種小幅擺動(dòng)。

類似的原理也出現(xiàn)在生產(chǎn)生活中。

例如，超高速電梯（≥5 m/s）在封閉井道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，轎廂如活塞般推擠+抽吸井道空氣，形成"活塞效應(yīng)"。這既增加風(fēng)阻能耗，又造成井道內(nèi)壓波動(dòng)（影響開門）和轎內(nèi)氣壓驟變（引起耳鳴）。因此超高速電梯井通常需在頂/底甚至中段設(shè)通風(fēng)/泄壓口（GB 7588 要求井道頂通風(fēng)面積 ≥ 井道截面積 1%），超高層還會(huì)做雙井道協(xié)同泄壓。

另一個(gè)常見例子是閉門器。閉門器內(nèi)部通常有液壓油和活塞，關(guān)門時(shí)，液壓油只能從狹窄的閥孔里慢慢通過，于是形成阻尼，讓門緩緩關(guān)上，而不是猛地撞上門框。雖然這里用的是液體，不是空氣，但背后的思路是一樣的：只要限制流體流動(dòng)，就能減慢物體的運(yùn)動(dòng)。

閉門器結(jié)構(gòu)，及其狹窄的單向閥貢獻(xiàn)了阻尼力

[1]JSME Fluids Engineering Division. “Dropping a horizontal disk into a cylinder.” 2018.

[2]Bao, M., & Yang, H. “Squeeze film air damping in MEMS.” Sensors and Actuators A: Physical, 136, 3–27, 2007. DOI: 10.1016/j.sna.2007.01.008.

上下滑動(dòng)查看投稿↑↓

1.相逢一笑的投稿

2.linlin2的投稿

3.小姝的投稿

4.劉寶菊的投稿

5.紫均 的投稿

6.趙凱的投稿

7.藍(lán)思的投稿

投票將于7月10日 22:00截止

票數(shù)最高的兩位粉絲

將獲得所標(biāo)杯

一個(gè)

分享贏得紀(jì)念品

對于本期實(shí)驗(yàn)的投稿

我們將在下期進(jìn)行投票

我們將為票數(shù)最高的兩位粉絲

送出

所標(biāo)杯

一個(gè)

投稿方式

投稿時(shí)間截止到每周五晚九點(diǎn)。48小時(shí)沒有和我們互動(dòng)的用戶，我們無法給您發(fā)送消息。為了防止聯(lián)系不到獲獎(jiǎng)用戶的現(xiàn)象發(fā)生，請投票最高獲獎(jiǎng)后及時(shí)聯(lián)系我們。為了截取方便請盡量上傳小于45秒的視頻或者照片。

編輯：二分 & Chocobo