关键概念
浮力
重力
加速度
惯性
密度
引言
您是否注意到，当汽车加速或减速时，松散的物体往往会在车内移动？现在想象一下，一个充满氦气的气球漂浮在汽车里。所有车窗都关着，通风口也关着。当汽车加速时，您认为气球的位置会发生什么变化吗？答案可能会让您惊讶！用您自己的汽车（或公共交通工具）重现这个经典的物理场景，了解流体动力学如何导致系绳的漂浮物体（如气球）以意想不到的方式表现。
背景
当汽车突然停下来时，我们都知道被抛向安全带的感觉。当汽车加速时，向后猛冲到座位上，以及当汽车急转弯时被拉向相反方向的感觉也应该很熟悉。这些力从何而来？事实是，它们实际上不是力。这些感觉最好被描述为我们身体惯性的副作用，惯性是物质抵抗其运动变化的趋势。除非受到外力的作用，否则物体将保持静止或沿直线运动。一个物体拥有的质量越大——换句话说，它越重——它就越能抵抗作用在其上的力，例如试图减慢或加速它的力。
让我们以一位乘客乘坐一辆从静止加速到 30 英里/小时匀速行驶的汽车为例。在加速过程中，汽车座椅推动乘客向前移动。然而，她的质量想要保持静止，因此她感觉自己的身体向后猛冲到座位上。她真正感受到的只是她自己的惯性，这需要被汽车的推力克服！
上面的解释可能对您来说已经很直观了（但如果不是，请不要担心）。在完全剧透惊喜之前，您即将探索的活动最酷的地方在于，您的结果将完全违背这种直觉（如果您想要一个可能帮助您理解即将看到的内容的提示，请记住充满氦气的气球比它周围的空气轻）。
材料
充满氦气的气球
高尔夫球或其他小而重的物体
两根 3 英尺长的绳子、牙线或钓鱼线
胶带
汽车、公共汽车或地铁列车
成人司机（如果使用汽车）或主管（如果使用公共交通工具）
一条几乎没有或没有交通的住宅街道（如果使用汽车）
步骤如果使用汽车：
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确保您的空调已关闭，并且车窗已摇上。否则，小的气流可能会干扰您的实验结果。
如果您的车辆有中间一排座位，则将其折叠或拆除可能会有所帮助，从而为物体提供尽可能多的空间。
首先，我们将观察悬挂的重物会发生什么。将绳子的一端粘在您的高尔夫球或其他小重物上。
将绳子的另一端粘在汽车的顶棚上，以便重物可以自由摆动，而不会干扰驾驶员。请务必先获得将胶带粘贴到汽车顶棚的许可！
在进行活动之前，请确保所有乘客都系好安全带。
作为观察员，您的工作是观察您正在测试的物体；驾驶员将观察道路和交通。
让驾驶员将汽车开到没有交通的住宅街道。
稳定重物，使其不再摆动。
让驾驶员将汽车挂入行驶档，并从完全停止的状态急剧（但安全地！）加速到稳定的速度。重物的位置发生了什么变化？这是否是您期望发生的事情？为什么？
现在让驾驶员完全停车。当汽车减速时，悬挂重物的位置会发生什么变化？这是否是您期望发生的事情？为什么？
现在是时候设置充满氦气的气球了。卸下悬挂的重物。将您的第二根绳子系在气球的结上。将绳子的另一端粘在汽车的地板上（首先获得许可）。
如果气球与汽车的顶棚接触，请缩短绳子的长度。确保气球的绳子绷紧，并且气球有足够的空间在它所处的位置前后摆动，但不会妨碍驾驶员的视线。
让驾驶员将汽车挂入行驶档，并从完全停止的状态急剧（但安全地！）加速到稳定的速度。气球的位置发生了什么变化？这是否是您期望发生的事情？为什么？
现在让驾驶员减速至完全停止。气球的位置发生了什么变化？这是否是您期望发生的事情？为什么？
额外：将您的悬挂重物和漂浮气球并排安装，以便您可以直接比较它们在经历不同类型的加速度时的行为。它们的位置在加速和减速期间如何变化？
额外：再次比较悬挂重物和漂浮气球的运动。当达到稳定速度时，任何一个物体都会在其系绳上倾斜吗？您认为这是为什么？
额外：让汽车驾驶员在拐角处以稳定的速度向左或向右转弯（在运动中，而不是从完全停止的状态）。当您转弯时，气球如何移动？悬挂的重物如何移动？您如何解释您的观察结果？记住，转弯是加速度的另一种形式，因为您正在改变物体的运动。
如果使用公共汽车或通勤列车
您使用汽车时遵循的相同通用步骤也适用，但您将无法控制公共汽车的加速和减速。这些运动变化也可能不是那么急剧，因此您的测试物体的位置变化可能很细微。仔细观察它们！
如果可以，请尽量远离任何打开的窗户或通风口（没有通风口的旧校车非常适合此活动）。
将第一根绳子粘在您的高尔夫球或小重物上，然后将其悬挂在您的手中，确保它有足够的空间安全地摆动，而不会撞到任何物体或干扰任何其他乘客。当公共汽车加速时，重物的位置会发生什么变化？减速？转弯？为什么？
将您的悬挂重物收起来，并将第二根绳子系在充满氦气的气球上。将气球绳子的末端握在您的膝盖上，确保气球可以自由移动不受阻碍（必要时调整气球的高度），并且不会干扰任何其他乘客。当公共汽车加速时，气球的位置会发生什么变化？减速？转弯？为什么？
额外：如果您有空间并且获得许可，请使用厚重的书（如教科书）将气球系在过道的地板上。当您预测公共汽车司机的每次动作时，请尝试预测气球会因此移动到哪里。
[中断]
观察和结果
悬挂的重物应由于其惯性而在向前加速期间向后摆动。记住，当汽车开始移动时，由于惯性，重物想要保持静止。那么为什么我们没有看到同样的事情发生在气球上？当汽车加速时，气球会向汽车的前方倾斜！这里发生了什么？有什么东西在推动气球前进。而且它不是汽车本身——气球没有靠在任何东西上。
气体（包括我们呼吸的空气和纯氦气）和液体（如液态水）都是流体——没有固定形状的物质。放置在高密度流体中的低密度物体具有浮力；它们会漂浮，就像游泳池中的轻型橡胶鸭玩具一样。让我们回顾一下密度：如果一个物体或物质（固体、液体或气体）比另一个更密集，那么它在相同的三维空间中包装的质量更多。想象一下，您正将一只橡胶鸭按在游泳池的底部。由于重力，游泳池中的水分子和空心橡胶鸭内的空气分子都会受到向下的拉力。然而，重力对具有更大质量的物体或物质施加更大的力，因此密度更高的水在争夺将自身压在游泳池底部的战斗中胜过橡胶鸭的空气。结果，橡胶鸭被较重的水向上推开，这导致鸭子漂浮到水面。
现在让我们看看这如何帮助解释汽车中发生的事情。像其他所有有质量的东西一样，我们周围的空气也具有惯性，因此当车辆加速时，空气分子不会仅仅被汽车拉着走而不反抗。事实上，我们可以认为空气分子在汽车加速时沿与悬挂重物相同的方向移动。当空气抵抗向前运动向汽车后部晃动时，分子会强行绕过密度较低的气球内的氦气。当空气分子在汽车后部挤压自己时，它们会产生一个较高压力的区域，从而推动气球向前移动！相同的基本原理解释了为什么充满氦气的气球首先会漂浮：重力将密度更高的空气向下拉到汽车的地板上，从而在气球下方产生一个较高压力的区域，将气球向上推向汽车的顶棚。通过加速和减速汽车，您只是改变了高压区的位置——以及对气球的最终推力的方向。
您还可以尝试再次使用困在水罐中的气泡进行该活动。将封闭的罐子侧放，观察当罐子受到加速和减速时气泡会发生什么情况。看看您是否可以解释气泡的行为！
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此活动与 Education.com 合作推出