“龙卷风”来了绝不可躲在车内？ ——“伯努利原理”物理解密！
我的图书馆
“龙卷风”来了绝不可躲在车内？ ——“伯努利原理”物理解密！
下面仅从中学物理的角度来解密一下龙卷风，从而深刻理解“流体流速与压强的关系”并提高防范意识和防护技能。一、“龙卷风”的中学物理解释：“龙卷风”的中学物理原理是“伯努利原理”和圆周运动中的“离心运动”。“伯努利原理”即“流体流速越大的地方压强越小”，这一点在前面实验视频已经做了各种物理小现象。物体做“离心运动”的条件是“外界能够提供的力等于或者小于物体做圆周运动所需要的向心力”二、龙卷风的威力巨大原因：这里不再解释龙卷风的形成阶段，任何搜索引擎上都可以很容易搜索到。只从中学物理角度做如下解释：龙卷风主要是因为冷暖强对流空气形成，类似于水中的“漩涡”，一旦形成涡旋，会迅速从弱变强，内部空气流速特别巨大，远大于外部空气流速，造成龙卷风区域内部气体压强远小于外部大气压。形成从外部指向内部的压力差，此压力差即为外界提供物体做圆周运动的向心力，会把其所经过的任何不牢固物体吸入内部，并开始随着狂风做圆周运动，由于越低的位置空气流速越大，指向内部的压力差也就越大，导致做圆周运动的物体不能轻易被甩出该区域，物体边圆周运动边向上运动，形成向上的螺旋状运动，又由于做圆周运动的物体都有沿着切线飞出去做离心运动的趋势，所以物体做圆周运动的半径会越来越大，一路螺旋向上。当物体到了足够高处，风速减小，外界能够提供的力会小于物体所需要的向心力，物体做离心运动被甩出龙卷风区域，降落到地面造成重创！也就是说龙卷风很像一个巨大的倒立的漏斗状吸尘器，风速大的时候把物体吸入（伯努利原理），风速小的时候再抛出（离心运动）。三、哪些物体最容易被卷入龙卷风：关于“伯努利原理”，大家可以看一下我前面发布的“趣味物理小实验集锦——乒乓球演示“伯努利原理”及放大振动”，可以看出此实验中的乒乓球很难脱离流速大的区域。那么哪些物体会被卷入龙卷风?1.轻小的，不牢固的物体。（这个就不用说原因了）2.上方凸起的物体。比如屋顶，汽车；所以屋顶会被掀翻飞走，汽车也是最不安全的地方，一旦汽车接近龙卷风区域就会变成“飞机”飞起来。（这个可以用飞机的升力产生原因——即伯努利原理来解释：飞机的机翼上方凸起，下方平直，导致上方空气流速大于下方，从而上方气压小于下方气压，形成向上的压力差，也就是升力。而汽车的形状都是上方凸起的流线型，遇到风速大或者汽车开的速度比较大时很容易发飘直至飞起。）3.孤立的墙、电线杆、树木等。因为会直接成为受力物体，没有支撑保障，所以容易倒塌。四、防范措施：1.躲开龙卷风行进方向，就近躲进低洼并且不容易被砸到的地方。最好是防空洞或者地下室。2.远离门、窗、墙壁、树木、电线杆，以免被砸或者被电。声明：以上仅为龙卷风的中学物理知识解释。物理来源于生活，最终要应用到生活中去。以上物理现象是中学物理常考题。初二初三的学子们一定不要把物理知识学死了，要和生活相结合，你会发现物理会有大用。学好力学知识和电学知识关键时刻能救命。中考有些地方还没有结束，初二物理正在紧张期末复习当中，下面提供有关“流体流速与压强的关系”的精选习题，解决此类问题，特别适用于初二物理复习。word电子版本这里就不发布了。
发表评论：
TA的最新馆藏伯努利方程与生活；试验122班黄颖祺；关键字：伯努利方程、台风、龙卷风；摘要：由伯努利方程可得台风来临时应关闭门窗龙卷风；伯努利方程是理想流体定常流动的动力学方程，意为流；b1，右端s2由a2移到b2，两端移动的距离为Δ；入的流体体积为ΔV1＝s1Δl1，右端流出的体积；所以ΔV1＝ΔV2＝ΔV(因为理想流体是不可压缩；端的力对流体做的功为Ｗ1＝F1Δl1；
伯努利方程与生活
关键字：伯努利方程、台风、龙卷风
摘要：由伯努利方程可得台风来临时应关闭门窗龙卷风来临时应打开窗户
伯努利方程是理想流体定常流动的动力学方程，意为流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。这个理论是由瑞士数学家丹尼尔第一?伯努利在1738年提出的，当时被称为伯努利原理。后人又将重力场中欧拉方程在定常流动时沿流线的积分称为伯努利积分，将重力场中无粘性流体定常绝热流动的能量方程称为伯努利定理。这些统称为伯努利方程，是流体动力学基本方程之一。
如图所示，经过很短的时间Δt，这段流体的左端s1由a1移到
b1，右端s2由a2移到b2，两端移动的距离为Δl1和Δl2，左端流
入的流体体积为ΔV1＝s1Δl1，右端流出的体积为Δv2＝s2Δl2．
ΔV1＝ΔV2＝ΔV(因为理想流体是不可压缩的)
端的力对流体做的功为 Ｗ1＝F1Δl1
F1＝p1?S1＝p
W1=p1S1Δl1=p1ΔV
作用于右端的力F2＝p2S，它对流体做负功(因为右边对这段流
体的作用力向左，而这段流体的位移向右)，所做的功为：
Ｗ2＝－Ｆ2Δl2＝－p2Ｓ2Δl2＝－p2ΔＶ
因此，两侧外力对研究液体所做的功为：
W＝Ｗ1＋Ｗ2＝（p1－p2）ΔV
又因为我们研究的是理想流体的定常流动，流体的密度ρ和各点的流速v没有改变，所以研究对象(a1到a2之间的流体)的动能和重力势能都没有改变．这样，机械能的改变就等于流出的那部分流体的机械能减去流入的那部分流体的机械能。
Ｅ2－Ｅ1＝0.5*ρ(V2*V2-V1*V1)ΔV＋ρg（ｈ2－h1）ΔV
又理想流体没有粘滞性，流体在流动中机械能不会转化为内能
Ｗ＝Ｅ2－Ｅ1
（p1－p2）ΔV＝0.5*ρ(V2*V2-V1*V1)ΔV＋ρg（ｈ2－h1）ΔV
整理后得：
P +0.5*ρv*v+ρgh = 常量
伯努利方程的实质是：功能守恒原理在理想流体做定常流动中的应用。它的结论是，对于同一直线上的，任意两点有：
P +0.5*ρv*v+ρgh = 常量
伯努利方程在生活中有很多应用，比如喷雾器的基本原理、用托里拆利定律估计流量问题、球类比赛中的旋转球以及飞机为什么可以起飞等等。伯努利方程非常有用，合理的利用伯努利方程甚至可以挽救我们的生命财产，比如，当强劲的台风来临的时候，我们应该怎么做呢？
我们所说的台风实际上是一种强热带气旋。台风和飓风都是一种风，只是发生地点不同，叫法不同，也就是说在美国一带称飓风，在菲律宾、中国、日本一带叫台风。台风是一
个强大而深厚的气旋性漩涡，发展成熟的台风，其底层按辐合气流速度大小分为三个区域：
外圈：又称为大风区，自台风边缘到涡旋区外缘，半径约200-300km，其主要特点是风速向中心急增，风力可达6级以上。
中圈，又称涡旋区，从大风区边缘到台风眼壁，半径约在100km，是台风中对流和风、雨最强烈区域，破坏力最大。
内圈，又称台风眼区，半径约5-30km。多呈圆形，风速迅速减小或静风。
在我国东南沿海地区，每年秋夏季节常刮台风，肆虐的台风常常卷起大树，掀走屋顶，给我们带来灾难，而在台风到来时，沿海地区的居民都有个经验：台风到来时一定要关上窗户，这样可以减少台风掀顶的危险。这个经验可以用伯努利方程来解释。
在台风刮来时，如果紧闭门窗，那么风对墙面有一个推力，假设速度为v的风吹到墙面时速度降为零，根据伯努利方程，可计算出这个推力为：
F1=p*S=ρ*v*v*S/2。
其中S为房屋的迎风面积，ρ为空气密度。对八级台风而言，地面风速约为5米每秒。如果房屋迎风面积为20平方米，则：
F1=1.28*25*20/2=320N。
墙面承受320N的推力一般没有问题，但打开门窗时，空气穿过房屋，同时由于屋顶的隆起形状使得屋顶上的空气要加快速度绕过。此时，虽然台风对墙的推力减小了，但由于屋顶内外空气的流动速度不一样，外面的速度快，里面的速度慢，因此就在屋顶上产生了一个压差力，而且这个力的方向是向上的。假如屋外的风速是屋内的3倍，则作用在屋顶上的向上举力为：
F2=（p1-p2）*S=1.28*（v2*v2-v1*v1）*20/2=2560N。
这样大的力足以将一般的砖木结构的屋顶掀掉，因此，台风来时关紧窗户是减少财产生命损失的最简单实用的办法。
不过若是遇上了龙卷风那就不能关闭窗户了。龙卷风是一种伴随着高速旋转的漏斗状云柱的强风涡旋。龙卷风被人们称为大自然最狂暴的风，它的风速最高可达到500千米每小时，它的破坏力很大。龙卷风中心附近风速可达100m/s～200m/s，最大300m/s，比台风近中心最大风速大好几倍。龙卷风中心气压很低，一般可低至400hPa，最低可达200hPa。龙卷风当中是一个大漩涡，空气在其中快速旋转，由于速度很快，因此根据伯努利方程P +0.5*ρv*v+ρgh = 常量，其中心的压力极低。这样，如果龙卷风经过某个建筑物时，就会在建筑物四周产生一个瞬间的超低气压，此时如果门窗紧闭的话，因为屋内的空气不能迅速流向屋外，就产生了一个屋内压力相对屋外突然升高的过程，这极易将屋子从内部炸开。而在龙卷风到来的时，迅速打开门窗，让屋内外空气迅速交流，则屋内的损失就要小一些。
伯努利方程虽然是理想流体定常流动的动力学方程，但是伯努利方程非常重要，是流体动力学的基本方程之一，它告诉了我们许多生活中道理。为什么遇到台风要关闭门窗而为什么遇上龙卷风又要打开窗户，这都是有理可循的。其实生活中大部分现象都可以用物理原理解释，只要用心观察，勤于思考，一定会有很大的收获。
参考资料：
《力学与现代生活》第二版，复旦大学出版社
包含各类专业文献、文学作品欣赏、外语学习资料、中学教育、行业资料、专业论文、幼儿教育、小学教育、伯努利方程与生活50等内容。　
　学习伯努利方程有助于我们更深刻的 理解流体的运动规律,并可以利用它对生活中的...同时,作为 土建专业的学生,我们将来在实际工作中,很可能要与水、油、气等流体... 　本文比较系统的介绍了伯努利方程的原理和应用 伯努利方程的原理及其应用摘要:伯努利...环境保护及 人民日常生活等国民经济各个领域,是发展工农业生产,节约能源,改进... 　方程中各项的物理意义,然后讨论了伯努利方程中“动压强”的意义以及“动压强”和...最后列举了伯努利方程在生产生活中的应用.晋中学院化学化工学院本科毕业论文(设计)... 　关键词:伯努利方程 发展和原理 应用 1.伯努利方程的发展及其原理: 伯努利方程是...环境保护及 人民日常生活等国民经济各个领域,是发展工农业生产,节约能源,改进... 　第八节 伯努利方程 ●本节教材分析 本节属于选学内容,但对于一些生活现象的...(2)学生阅读课文,并解答思考题: (3)教师总结并板书 ①流体指液体和气体; ②... 　伯努利方程对于确定流体内部各处的压力和流速有很大 意义,在水利、造船、航空等...环境保护及 人民日常生活等国民经济各个领域,是发展工农业生产,节约能源,改进... 　智慧树物理与人类生活章单元答案整理 by 洋洋耶 第一章章单元测试......10 分 10 【多选题】(10 分) 根据流体力学的伯努利方程可以得到如下推论 A. 流体中... 　而对于一些生活 现象的解释,伯努利方程是相当重要的.本节主要讲述了理想流体, 理想流体的定常流动,然后结合功和能的关系推导出伯努利方程,最 后运用伯努利方程来... 　本次课属第四章液体的流动及应用的内容,伯努利方程是流体动力学的基本 规律之一,与实际生活,与医药专业联系紧密。为了把流体规律与人体血液流动 特点紧密联系,把本...