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1.1 大气

1.1.1 大气压

晴朗的天气,仰望过去,看到的是一片蓝蓝的天,蓝蓝的天其实就是阳光下的大气层,如图1.1.1所示,这层厚厚的、包裹着地球的大气层填充的都是空气。空气是有质量的,我们身体周边的空气会被头顶上方的空气压着,形成大气压。在生活中,若把吸盘压在玻璃或瓷砖上,挤出里面的空气,我们发现吸盘很难拔下来,这是因为大气压把吸盘紧紧地压在玻璃或瓷砖上。

图1.1.1 大气层的分布

实验探究:大气压的力量

实验器材: 一个玻璃杯(杯子高于蜡烛的长度)、一支蜡烛、点火器、水、盘子。

实验过程

把蜡烛竖直粘在盘子的中央,然后在盘子中加入适量的水。点燃蜡烛,最后将杯子倒扣在蜡烛上,如图1.1.2所示。仔细观察水面和蜡烛会发生什么变化。

图1.1.2 探究大气压的实验

现象与结论

可以看到杯子里的水面逐渐上升,过一会儿蜡烛熄灭了。蜡烛刚刚熄灭后,水位还会继续上升一段时间。

蜡烛的燃烧消耗了氧气,当蜡烛将杯子里的氧气消耗完以后,蜡烛就熄灭了。因为杯子里的氧气被消耗了,杯子里气压就会减小,而杯子的外面是大气压,大气压就把盘子中的水“压”进了杯子里,就好像水被吸进了杯子里。

想一想: 蜡烛刚刚熄灭后,水位为什么还会继续上升一会儿呢?

气压真的会“吸”吗?

我们在呼吸空气时会用到吸,在用吸管喝水的时候也会用到吸,这里的吸是我们对空气、水的一种作用和体验。

当我们用吸管喝水时,只要轻轻地吸一下,水就会通过吸管流入我们的嘴里。事实上,我们所谓的“吸”其实是大气压在“压”,当我们用力吸时,口腔和吸管内的气压会变小,形成低压区,而大气压有个特点,它是把气体、液体等物质从高压区“压”进低压区。在用吸管喝水的过程中,大气压就是通过吸管外的水面把水从高压区“压”进吸管和口腔内的低压区,如图1.1.3所示,这里的高压指的是吸管和口腔外面的大气压,而大气压“压”的过程就是我们所谓的“吸”。

倘若我们在吸管的中间戳一个较大的孔,那么即使我们用劲全身的力气去吸,也无法把水吸上来,原因是在吸的过程中,吸管外面的空气会不断地从洞口进入吸管,吸管内形成不了低压区,大气压也就无法把水“压”上来。

由于在表述时“吸”比“压”更形象,更易于理解,所以后面的表述中会依然用到“吸”,大家只需要理解:气压不会“吸”,只会“压”,“吸”是气压“压”的一种表现。

图1.1.3 用吸管喝饮料

1.1.2 空气的黏性

在自然状态下,所有的气体、液体在流动的过程中都存在一定的黏性,例如,向一个杯子里倒入水,另一个杯子中倒入蜂蜜,当我们分别用一根筷子搅动时,会发现蜂蜜比水搅动起来阻力更大、更困难一些,这是因为蜂蜜的黏性比水要大。其实我们在倾倒蜂蜜的过程中也会发现,蜂蜜比水更加黏稠,如图1.1.4所示。空气也有黏性,只是空气的黏性太小,不容易被我们察觉,我们可以通过实验来感受空气的黏性。

图1.1.4 黏稠的蜂蜜

实验探究:流动空气的黏性

实验器材: 3~10根细的吸管(图1.1.5)、透明胶带。

图1.1.5 3根吸管

实验过程

先取一根吸管,将一根吸管的一端放入嘴中吹气;然后把两根吸管用透明胶带加长后再吹气,如图1.1.6所示;之后依次逐渐加长吸管并进行吹气实验,感受吹气过程中阻力的变化。

图1.1.6 用透明胶带加长后的吸管

现象与结论

随着吸管的不断加长,我们发现对着吸管吹气越来越费力。这是因为吸管越长,吸管的内壁与气流接触面积就越大,吹气时遇到的阻力就越大,阻力的存在说明流动的空气具有一定的黏性。

1.1.3 气流

实验探究:风的形成

取一张正方形的纸,在纸上画上螺旋线,然后沿着螺旋线剪开,从中间把螺旋形状的纸用细线悬挂起来,在纸的下方点燃一支蜡烛,如图1.1.7所示,观察实验现象。

通过实验可以看到,当蜡烛点燃时,螺旋形状的纸条会旋转起来。移出纸条,将手掌置于蜡烛正上方较高的位置,也能够明显感受到上升的热气流。这是因为空气受热膨胀,热气流上升所致。

风是地球上的一种自然现象,由太阳辐射引起。如图1.1.8所示,太阳光照射在地球表面,由于地面受热不均,使得地表的部分区域温度升高,空气受热膨胀变“轻”(密度变小)而往上升。热空气上升后,远处温度较低的空气横向流入进行补充,这就产生了风。

图1.1.7 螺旋纸在蜡烛正上方

例如,在太阳光的照射下,由于城市建筑群密集,柏油路和水泥路面较多,再加上城市的能量消耗大,产生的热量多,城市中的空气温度上升快,郊区的空气温度上升慢。在白天,城市中空气的温度高于郊区空气的温度,城市中的空气受热膨胀变“轻”(密度变小)而往上升。热空气上升后,周边郊区的相对低温的空气流入,就形成了由郊区吹向城市的风,这种现象也叫作城市热岛效应,如图1.1.9所示。

图1.1.8 风的形成

图1.1.9 城市热岛效应

太阳辐射是大气最主要的能量来源,在清晨之前,大地经过了漫长的黑夜,地面把白天吸收的太阳辐射的热量已经释放到空气中,因此清晨的大气相对来说是比较稳定的。这也是训练航空模型的较好时机。

太阳升起后,随着太阳的升高,辐射的热量逐渐增强,地面吸收的热量也越来越多,由于地表受热不均匀,就会产生上升气流和下降气流。

由于地表材质不同,地表温度上升的快慢也不同,例如,水泥地、沙地受太阳照射后温度上升较快,而草地、湿地、田地以及云朵遮盖区域的温度上升慢,所以在水泥地、沙地上空会形成上升气流,在草地、湿地和田地上空会形成下降气流。

在傍晚时分,太阳辐射减弱,地面以散发热量为主,整体来说,傍晚的气流相对平稳。所以傍晚也是训练航空模型的好时机。

地面的风来自不同的方向,气象学上把风吹来的方向规定为风向。例如,风来自东方,就是东风,风来自南方,就是南风。正确的风向判断有利于航模的放飞,可通过手抛轻小的物体,例如树叶、羽毛等,也可以通过观察旗帜或丝带的飘动方向。

风也有大小,即风前进的速度,风的大小可用风速表示,使用风速仪可测量风速,如图1.1.10所示。在生活中,很多时候我们并不使用风速仪测量风的大小,而是通过一些现象大致判断风速。

图1.1.10 风速仪

对风的大小进行分级,就是风的等级,简称风级。一般情况下,可分为13个等级,最小为0级,即无风状态,最大为12级。不同大小的风吹到物体上会表现出不同的效果。根据风吹到地面的物体上或水面所产生的各种现象,我们能够初步判断当前风的级,如图1.1.11所示。

图1.1.11 风级与风速

1.1.4 层流与湍流

空气有秩序地分层流动称为层流,如图1.1.12所示。在室内的无风环境下,点燃一支香置于桌边,香燃烧冒出的青烟在起初阶段是竖直向上稳定地流动,这就是层流现象,在后期青烟开始紊乱流动,就变成了湍流(气流流速越快,越容易形成湍流)。轻轻地打开水龙头,流出的细小水流也可以看成层流。

空气的不规则运动称为湍流,它是空气间相互摩擦或是空气沿粗糙不平的表面运动形成的,大气中的湍流主要发生在低空区域,例如,在顺风的楼房前后会形成湍流,如图1.1.13所示。湍流会对航空模型产生很多不利的影响,我们在放飞模型时需要避开,在飞行训练时要选择好飞行路线,让飞机飞于高处,同时避开高低不平的地面,远离房屋、树木等障碍物,防止模型进入湍流区域。

图1.1.12 一缕青烟的层流

图1.1.13 障碍物前后的湍流 OPQdp5JAJuqxhGcODAjjaJmjg5yYCbrdIl5u2DIeOf5PDRKLNM48lVYREwUOPDCW

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