核心概念
物理
空气
压力
涡流
空气动力学
介绍
这里有一个谜语给你：我无处不在，但你看不见我——我是什么？答案是：空气！它无处不在，但通常是不可见的。然而，我们可以看到空气产生的影响——例如当风吹动树枝时。空气可以轻轻移动以产生宜人的微风，或变成狂野且具有破坏性的飓风。不仅风可以利用空气移动物体，你也可以——只要物体不太重！例如，你可以吹某物——或者你可以制造一个空气炮，它会向空气中发射大的空气冲击波！好奇这是如何工作的吗？那就试试这个活动来找出答案吧！
背景
虽然空气是不可见的，但它是由不同的分子组成的，主要是氧气、氮气和二氧化碳的分子。当风吹到你脸上时，你实际上可以感觉到这些分子压在你身上。但是是什么使它们移动以产生风呢？空气由于气压差异而移动。它总是从高气压区域移动到低气压区域。气压差异例如可能由温度差异引起。你也可以通过“推动”或操纵你周围的空气来物理地移动空气，并创造高压和低压区域。研究空气如何流动以及为何流动的科学称为空气动力学。一种引人入胜的气流现象是环形涡流，它看起来像一个甜甜圈形状的空气环。你很少注意到这些，除非空气中有一些诸如蒸汽或烟雾之类的颗粒，这些颗粒使涡流环可见。
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在这个活动中，你可以用自制的涡流炮自己制造这样一个空气涡流！使用这个装置，你将制造一股从孔中射出的空气爆发。快速移动的空气会取代孔外的空气，然后以甜甜圈的形状旋转。空气形成这种形状是因为从孔中心离开杯子的空气比从孔边缘离开的空气移动得更快。涡流环内部快速移动的空气和外部缓慢流动的空气之间的气压差异使得涡流旋转，在穿过空气时保持稳定。通过一些练习，你可以让你的空气涡流移动得如此之快，以至于你甚至可以用它击倒一个纸杯！
材料
一次性塑料杯（一个八盎司和一个十六盎司大小）
剪刀
成人助手
气球
卫生纸
胶带
卷尺
笔
纸
准备
将一些卫生纸条用胶带粘在门框上。
当你使用卷尺测量距离门框大约一米（三英尺）、三米（九英尺）和五米（十五英尺）时，展开卫生纸。在卫生纸上的每个距离处做标记。
在两个杯子的底部画一个四厘米（1.5英寸）直径的圆。
在成人的帮助下，用剪刀剪出两个圆。
将两个气球充气以拉伸它们，然后再次放气。
在气球的颈部打结，然后剪掉气球的尖端。
用气球覆盖杯子的顶部，打结的颈部朝外。
确保将气球紧紧地粘在杯子的侧面——你需要一个密封的气密！
步骤
选择较小的杯子开始。通过拉回气球的结并松开它来练习发射空气炮。尝试每次拉动气球相同的距离，以产生相同大小的力将空气推出。如果你这样做会发生什么？你能听到声音吗？你感觉到杯子前面有什么东西吗？
站在卫生纸前的一米标记处，发射你的空气炮，瞄准悬挂的卫生纸。卫生纸会移动吗？所有的纸片都会移动还是只有一些会移动？
接下来移动到三米标记处，用你的空气炮射击卫生纸。卫生纸仍然会移动吗？比一米标记处多还是少？
最后到五米标记处，再次将你的空气冲击波瞄准卫生纸。你仍然看到卫生纸移动吗？为什么或为什么不？
换成更大的涡流炮并重复步骤。你的结果是否会随着空气炮的大小而变化？如果是，如何变化？你是用较小的杯子还是较大的杯子射得更远？你认为这是为什么？
额外：使用更大或更小的杯子来制造更多的空气炮。你能让空气涡流移动多远？你能在你的空气炮的大小和空气涡流移动的距离之间找到关系吗？
额外：尝试改变杯子底部出口孔的大小。你的空气炮在较小或较大的孔中表现不同吗？如何表现？
额外：尝试制作一个矩形空气炮？盒子和杯子一样好用吗？尝试一下找出答案！
额外：如果你将气球拉得更远以产生更大的力将空气推出杯子会发生什么？它会影响空气涡流的移动速度或距离吗？
观察和结果
你能通过向卫生纸发射空气涡流来使其移动吗？空气涡流，基本上是一股空气，以非常快的速度从杯子中射出，以至于它将卫生纸推开，因此它开始移动。空气涡流炮的工作原理是快速将力施加到杯子内的空气分子上。当气球表面向前弹起时，它会直接与杯子内的空气分子碰撞，将它们推向并加速它们朝向杯子末端的孔。这种推力启动了一系列与其他空气分子的高速碰撞的连锁反应，它们逃脱的唯一方法是通过杯子末端的开口。每次你使用你的空气炮时，你都应该听到空气通过孔快速逸出的“噗”声。
快速移动的空气然后与杯子外的静止空气混合，形成涡流。因为环的外部（当周围的空气缓慢移动时）气压较高，而内部（当涡流中的空气移动更快时）气压较低，所以涡流会旋转，并在穿过房间时保持在一起。最终，甜甜圈状的环会分解并消失。你应该注意到，用更大的涡流炮，空气涡流需要更长的时间才能消失，这意味着它移动得更远。这是因为你可以将更大体积的空气推出大炮。其他设计标准（例如出口孔的大小和形状或容器的形状（杯子与盒子））也很重要。此外，如果你通过将气球拉得更远而在薄膜上施加更大的力，你可以使涡流移动得更远，因为空气会更快地被推出杯子。
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