你敢拿木簽戳氣球嗎?
大多數人的答案都是:
這還用試?肯定會炸。
但今天這個實驗,
氣球居然能安然無恙?
實驗器材
氣球若干、木簽/牙簽、洗潔精、紙巾、所標杯
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實驗步驟
吹起一個氣球,充氣到中等大小后系緊。注意不要吹得太滿,氣球越鼓,實驗成功率通常越低。先觀察氣球外形:遠離打結處的頂部小圓點附近,以及靠近尾部打結處,往往是比較厚、沒有被拉得那么厲害的區域。
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在木簽前半段和氣球涂上一層洗潔精。
安全提示:木簽尖銳,操作時不要對著面部和眼睛;氣球爆裂聲音較大,低齡兒童建議在家長陪同下進行。
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第三步:
把木簽對準氣球頂部正中,慢慢旋轉著刺入。注意是“推著轉進去”,不要猛扎。位置合適時,木簽會穿破氣球表面,但氣球并不會立刻爆炸。
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第四步:
繼續讓木簽沿著氣球的長軸向前移動,盡量朝打結尾部附近前進,并從尾部附近穿出。成功時,氣球會像被木簽“串”起來一樣,卻依然保持鼓鼓的狀態。
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第五步:
再取一個大小相近的氣球,同樣把 木簽和氣球 涂上洗潔精。這一次對準氣球最鼓的側面,橫著刺入。通常你會聽到熟悉的一聲“啪”,氣球瞬間爆開。
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第六步:
清理家中四散的若干氣球碎片,集齊碎片沒有驚喜,但是沒有集齊就說不準了。
原理解說
很多人以為,氣球一被戳出洞就一定會爆。其實,真正讓氣球“啪”地炸開的,不是那個小洞本身,而是這個小洞會不會迅速變成一條失控擴展的裂紋。
氣球由乳膠制成,微觀上由無數條像彈簧一樣的高分子聚合物鏈交織而成。吹氣球時,這些鏈被拉伸,橡膠內部儲存了彈性勢能。但氣球各個部位的拉伸程度并不均勻:最鼓的“肚子”處橡膠最薄、拉得最緊,張力極大,聚合物鏈幾乎被拉扯到極限;而頂部小圓點和打結尾部附近,橡膠更厚,拉伸程度更小,還保留著很大的彈性余量。
所以,這個實驗成敗的關鍵,不在于木簽有多長,也不在于它是否穿過了整個氣球——實際上木簽只刺穿了入口和出口兩個點,中間一段只是從氣球內部的空氣中通過——而在于這兩個孔到底開在了哪里。
如果扎在氣球側面最鼓的位置,相當于在高張力區域制造了一個缺口。缺口周圍被拉緊的橡膠會拼命將其撕大,裂紋沿著薄膜飛快傳播,整個氣球在極短時間內崩開,這就是我們熟悉的爆裂。這種現象在工程學上叫“應力集中”——力并不是均勻分布,而是在缺口、尖端這些地方被擠得特別厲害,裂紋一旦起跑,就很難停下來。氣球吹得越滿,橡膠越薄、彈性能越多,實驗就越容易失敗。反過來,如果從頂部或尾部刺入,情況就不同了。這些區域的張力小,聚合物鏈還有余量,橡膠不會迅速撕裂,反而能依靠彈性緊緊包裹住木簽。這時,洗潔精的作用就顯現出來了——它不是把氣球變結實,而是充當潤滑劑,讓木簽滑進聚合物鏈之間的縫隙,而不是粗暴地將它們扯斷。同時,洗潔精和橡膠的緊密貼合也封住了空氣泄漏的縫隙,空氣只會緩慢漏出,氣球就能暫時保持完整。
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這個實驗背后的邏輯,其實和許多工程問題是相通的。材料很多時候并不是怕“有孔”,而是怕“在高應力區出現會擴展的裂紋”。20世紀50年代,世界上第一款噴氣式民航客機“彗星號”接連發生空中解體慘劇,調查發現罪魁禍首竟是機身上的方形舷窗——方形窗戶的直角處就像氣球側邊被扎破的小口子一樣,承受了極大的應力集中,在飛機不斷升降的高低壓循環中,直角處的金屬產生疲勞裂紋,最終導致機身像氣球一樣瞬間撕裂。自那以后,所有飛機舷窗都改成了橢圓形或帶有圓角的形狀,以平滑地分散應力。
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為分散應力,現代飛機舷窗均被設計成橢圓形或帶有圓角的形狀
所以,木簽能不能穿過氣球,決定因素并不是尖不尖,而是你扎在了哪里,有沒有給裂紋可乘之機。順著低張力、較厚的區域慢慢刺入,氣球還能頑強撐住;橫著闖進它最脆弱的高張力區,它就只剩下一聲“啪”了。
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