水中的气泡向上升时,大泡与小泡上升的速度相同吗?

2025-05-10 10:31:04
推荐回答(4个)
回答1:

不相同,大的快一些

单纯从浮力产生的加速度来讲,是一样的。但是由于存在水的阻力,气泡受到水的压力等因素影响,最后结果是大的气泡更快些。通过实验也可以证明。

具体分析参考:
考虑以下几方面:

[1]考虑由(浮力-重力)产生的加速度

ρ液v排g-mg=ma
ρ液v排g=ρ气v排(a+g)
a=(ρ液/ρ气 -1)g

这个结果显然跟体积无任何关系,不会影响到加速度,自然不会影响到速度变化,不会影响速度

[2]考虑水阻力产生的负加速度的影响(暂时不考虑形变,认为是纯圆形气泡,形变下一个考虑)

阻力f正比于 半径r的平方,正比于速度v的平方
记阻力为 f阻=krrvv
krrvv=ma=ρ气(4pai/3)rrra
a=3kvv/(4paiρ气r)
就是因为 阻力跟 r2次方成正比,而体积跟r3次方成正比,由于这相差的1次方,导致了 r大的时候,这个负加速度的绝对值反而小。

因此,阻力对 大气泡的阻碍效果 要比小气泡小。

那么具体有多大影响呢?

我们考虑,如果没有阻力,那么气泡会以[1]中的加速度a=(ρ液/ρ气 -1)g,向上匀加速运动,由于ρ液/ρ气比值很大,所以这个加速度会非常大,气泡会疯狂加速。

但是事实上,我们并没有观察到“疯狂的气泡”,实际上气泡的加速程度是很有限的。

这说明 这个加速度 大部分都被 水阻力的负加速度 抵消掉了。 所以 阻力在此绝对不能忽略,而且不仅不能忽略,还是一个非常重要的因素。

因此[2]中得到的 阻力跟r成反比的结论可以看出,如果两个气泡的r是1:2 ,那么阻力加速度绝对值比值是2:1,这个比值还是很可观的。

[3]考虑速度对阻力的影响

在[2]中我们仅仅思考了r 对阻力的影响。 事实上v对阻力的影响也特别大。阻力跟v2次成正比,当v 越来越大的时候,阻力快速增加。于是会出现,当v 达到一定程度的时候,阻力跟[1]中的浮力相等,于是水泡达到 稳定的速度最大值,水泡变成匀速上升。(当然要水瓶子足够高,以使水泡们有机会达到这个速度稳定最大值),下面我们来计算一下这个最大值。

当达到稳定最大值时,
阻力=(浮力-重力)
也就是[1]和[2]中 得出的两个加速度绝对值相等
(ρ液/ρ气 -1)g=3kvv/(4paiρ气r)
于是我们得到最大速度为
v =(4pai/3k)(ρ液-ρ气)gr

我们可以看到,最后的稳定速度,跟半径是成正比的。半径大的最后能达到的稳定速度大。

[2]让我们知道,速度相等时,半径大的获得的加速度大
[3]让我们知道,半径大的可以达到的稳定速度上限更大

[4]考虑形变对阻力的影响

形变对浮力和重力无影响,浮力和重力只跟体积有关,跟形状无任何关系

但是形变对浮力的影响却不能忽略

气泡如果不运动的话,在水中的稳定状态 应该是标准的球形。 但是一旦运动中遇到阻力会变成规避阻力的流线型。

体积越大的气泡,他的形变量越大,但是是不是 大气泡与小气泡的形变比例是相同的呢。答不是的,越大的 形变比例会越大。

如果受力相同,体积大的形变比例要更大(同样要脚踩一个20厘米直径的乒乓球,和一个标准尺寸的乒乓球,假如他们材质都一样,很容易知道小的更难被踩瘪)。原因就在于,曲率半径越小,在工程学上这个物体结构就越稳定。

更何况 他们受力是不一样的,大气泡受力更大,所以形变比例就更大了。

于是形变比例 在大气泡身上会更大,自然规避掉的 由阻力产生的加速度就会更多。

我们来看看这个形变到底有多大影响:
仔细观察一下就可以知道,在横切面上形变还是可以观察到的。大气泡会有变成胖黄瓜形状的趋势。假设半径仅仅变化了20%,也就是半径变成以前的0.8,那么阻力跟r成正比,自然也会变成0.8倍,还是很可观的,大概就是这个数量级的影响。

而且不单瞬时的阻力小了,瞬时加速度增加了,而且最终的稳定最大速度也会提高。1/80% -1,就是提高25%

(注意这里解释的是 大气泡“形变比例”更大的原因,而不是“形变”更大的原因,大气泡“形变”更大是不需要解释的吧。)

综合[1][2][3][4],我们可以知道,大气泡上升的速度会更大

回答2:

水中的气泡向上升时,大泡与小泡上升的速度不相同

回答3:

相同

回答4:

是的