小现象，大道理——浅析压力与流体

     （该文章最早于2012年9月22日发表于QQ空间 进入我的空间并查找标题“小现象，大道理——浅析压力与流体（我的原创）”）

       今天来说说物理，先看一个视频，http://v.youku.com/v_show/id_XNDUyODU1NTM2.html。这里不说液态氮的急速升华膨胀，而说关于桶腾空而起的问题。网上有很多争论，人们都说是地面对桶底的反作用力导致的。但事实上是由于流体（空气）流速和压强的关系导致的。桶由静止向上运动必定要有向上的加速度，加速度由其受到的合外力产生。这时候有人想当然的说了，那是地面对桶的反作用力产生！其实不是！

        很简单的道理，对于静止的物体不管它对地面施加多大的作用力都不会飞起来，可能有人说了篮球掉地上为什么会弹起来，那我问你一坨泥巴掉地上为什么不会弹起来，这涉及到动能、弹性势能和内能之间的转化。物体能够弹起来首先需要具有弹性，在碰撞时，弹性可以将动能转换为弹性势能，之后又将弹性势能转化为动能，也就是反弹起来；而对于没有弹性的物体，碰撞时的动能只能转换为内能（热能）。

        有一种特殊的情况：假如一个静止的瘪的球放在地面上，里面注入少量的液氮，然后突然迅速膨胀体积增大，这是可以弹起来的，这种情况可以有两种合理的解释：

        1、球和液氮可以看做一个系统，液氮膨胀的瞬间产生了指向各个方向的压力，这个力属于系统的内力，其中指向地面的这部分压力远大于球体和内部氮的重力，而此时地面对球的反作用力就远大于球体系统的重力，也就是球体受到的合外力不为0，产生加速度使其弹起；

        2、对各个细节进行剖析的更为科学但复杂的解释：液氮膨胀也是需要时间的，球的弹起也是需要时间的，在这个过程中，我们来分析一下球底部与地面接触的位置的受力情况：球底部受到自身重力的压力、液氮的压力和地面的压力，在球离开地面前，球底部保持静止，说明球底受到的合外力为0，而当球离开地面，球底更不受地面的压力，所以可以排除是地面的压力给球产生的加速度使其运动，当然地面的压力的确产生了一种作用，就是让球各个面在氮气的压力下产生不同大小的加速度，左右方向的加速度可以相互抵消，向上的极大的加速使球的上面部分加速向上运动，由于惯性便带动整个球体向上运动离开地面，即弹起来了。
        而对于视频中的桶，因为里面的球和桶最终分离了，所以不能够当做一个整体系统，因此排除了第一张解释方式。那么用第二种解释方式来分析：桶底依然受到平衡力的作用（包括氮气对其的压力和地面对其的压力），因此桶底没有向上的加速度，不会使桶向上运动；那么难道使氮气对桶壁的压力？但是根据桶壁的坡度分析，氮气对桶壁的压力在竖直方向上的分量向下，也不会使桶向上运动；那有人就说了，只可能是乒乓球对桶壁的摩擦力，但是乒乓的摩擦力有这么大导致桶瞬间弹那么高？唯一的解释：流体与气压。
        关于流体与压强，流速越大，压强越小。简单的说，当球喷出的瞬间，桶口以上的区域空气流速很大，压强非常小，而桶的四周和底部都受到一个大气压强，桶壁受到的压力=大气压强x桶表面积，桶底也一样，对桶壁和底部产生压力（由于桶壁的斜面，还可以产生一个向上的分力），产生加速度使桶向上运动。
        再算一下大概的压力：一个标准大气压：100000N/m2，桶底的面积大概0.4m2，桶大概受到的向上的压力大概为40000N，即4000kg，什么？4吨？没错，4吨。不要小看了大气压强。其实桶壁和桶底也受到向下的大气压，正常状态下也是4吨，不过此时桶内和上面的空气在急速流动，压强很小，所以受到向下的压力就比较小，因此桶受到向上的合外力大概在2吨，完全有能力在瞬间弹那么高。等桶上面的空气流速减小，压力差减小，桶自然就要掉下来。