人造“龙卷风”

引入背景：

在电影、电视上看到过龙卷风的镜头。凡是龙卷风所经过的地方，我们会看到所有的物体（包括质量很大的石头、汽车、木屋等）都会被吸卷到高速旋转的气流中去，有时大树也会被这种神奇的力量连根拔起而“吸”进去。被吸进去的石头、汽车、房屋等物体甚至会被卷到半空中，好像汽车在天上飞一样，很刺激。然而这些天上飞起的东西最终又会从半空中掉下来砸得粉碎。龙卷风的力量是非常巨大的，凡是龙卷风所到之处，都会给人类带来毁灭性的灾难。龙卷风常常发生在大海上、沿海地区，或内陆较大的平原地区，对一些住在大山里的人来说一辈子都可能见不到龙卷风。那我们能否人为的制造出“龙卷风”出来呢？

实验器材：

一台外筒透明的豆浆机（或果桨机）（透过外筒要能看到刀片的那种，如图33所示），几粒黑豆，几块指头大小的胡萝卜，一大杯水。

图33

实验步骤：

（1）在豆浆机装入适量的水。（2）将黑豆和胡萝卜放入豆浆机内，并盖好盖子。（3）接通电源，让豆浆机开始工作。（4）仔细观察豆浆机内黑豆和胡萝卜的运动情况。

实验现象：

当豆浆机工作时，刀片随着转轴高速旋转，那些要打的东西会随着筒里面水的转动而不断涌向中心刀片位置处，就像有一股强大的力量在吸引一样，主动地送进去任由刀片切割，而那些被切割之后的变小了的东西又会从刀片上方的位置随着流动的液体飞向圆筒的边缘，在下沉的过程中又会被再次吸到中心刀片位置再次被切割。这样如此反复的循环，不一会儿，那些要打的东西很快就被打细并均匀地溶入水里了。

原理剖析：

豆浆机工作时，由于刀片快速的转动，使得刀片处的水也跟着转动起来。由于流体之间的相互带动，由筒中心向外，慢慢地整个筒中的流体也就跟着转动起来了。但由于筒中水的转动是由内向外依次带动的，即里面一层带动相邻的外面一层，而层与层之间又有相互阻碍，这样导致层与层之间的转速不一样，中心刀片处的转速最大，向外的转速依次递减。根据流体运动的特点，流速越大的地方压力越小（刀片处压力最小），所以里面的水在快速转动过程中，从中心往外压力越来越大，而这个压力的方向是由外指向圆心的，这样，离中心远的东西就在这个压力的作用下不断涌向中心处。这个过程，我们可用图34的示意来说明，中间的大黑圆点表示固定在转轴上的刀片，周围的三个小箭头表示刀片旋转的方向，小圆圈外面的长弯箭头表示流体中所要打细的东西向中心处运动的大致轨迹。经过无数次的切割，要打的东西很快就被打细了。

图34

说明：

（1）此演示实验可以让我们清楚地看到，豆浆机工作时里面的流体和要打碎的东西的运动情景跟电影、电视看到的龙卷风运动的真实情景非常的相像，所以我们能想象出被卷入龙卷风中物体的最终下场。（2）通过豆浆机打豆浆的原理与龙卷风原理的对比，让我们领悟到，任何一种毁灭性的自然现象，只要我们弄清其原理之后，都可以用于我们的生活和生产建设。对于龙卷风我们虽然惧怕，但人类却可以利用龙卷风原理来发电，利用龙卷风原理产生的高速旋转的气流来清除地下水管中的一些污物，从而让我们能饮用到清洁纯正的自来水。（3）此实验是流体力学在生活中的实际应用，这是理论联系实际的最好的例子，教学中可以多做做这样的实验。