核心概念
物理
空氣
壓力
渦流
空氣動力學
介紹
這裡有一個謎語給你：我無處不在，但你看不見我——我是什麼？答案是：空氣！它無處不在，但通常是不可見的。然而，我們可以看到空氣產生的影響——例如當風吹動樹枝時。空氣可以輕輕移動以產生宜人的微風，或變成狂野且具有破壞性的颶風。不僅風可以利用空氣移動物體，你也可以——只要物體不太重！例如，你可以吹某物——或者你可以製造一個空氣炮，它會向空氣中發射大的空氣衝擊波！好奇這是如何工作的嗎？那就試試這個活動來找出答案吧！
背景
雖然空氣是不可見的，但它是由不同的分子組成的，主要是氧氣、氮氣和二氧化碳的分子。當風吹到你臉上時，你實際上可以感覺到這些分子壓在你身上。但是是什麼使它們移動以產生風呢？空氣由於氣壓差異而移動。它總是從高氣壓區域移動到低氣壓區域。氣壓差異例如可能由溫度差異引起。你也可以透過“推動”或操縱你周圍的空氣來物理地移動空氣，並創造高壓和低壓區域。研究空氣如何流動以及為何流動的科學稱為空氣動力學。一種引人入勝的氣流現象是環形渦流，它看起來像一個甜甜圈形狀的空氣環。你很少注意到這些，除非空氣中有一些諸如蒸汽或煙霧之類的顆粒，這些顆粒使渦流環可見。
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在這個活動中，你可以用自制的渦流炮自己製造這樣一個空氣渦流！使用這個裝置，你將製造一股從孔中射出的空氣爆發。快速移動的空氣會取代孔外的空氣，然後以甜甜圈的形狀旋轉。空氣形成這種形狀是因為從孔中心離開杯子的空氣比從孔邊緣離開的空氣移動得更快。渦流環內部快速移動的空氣和外部緩慢流動的空氣之間的氣壓差異使得渦流旋轉，在穿過空氣時保持穩定。透過一些練習，你可以讓你的空氣渦流移動得如此之快，以至於你甚至可以用它擊倒一個紙杯！
材料
一次性塑膠杯（一個八盎司和一個十六盎司大小）
剪刀
成人助手
氣球
衛生紙
膠帶
捲尺
筆
紙
準備
將一些衛生紙條用膠帶粘在門框上。
當你使用捲尺測量距離門框大約一米（三英尺）、三米（九英尺）和五米（十五英尺）時，展開衛生紙。在衛生紙上的每個距離處做標記。
在兩個杯子的底部畫一個四釐米（1.5英寸）直徑的圓。
在成人的幫助下，用剪刀剪出兩個圓。
將兩個氣球充氣以拉伸它們，然後再次放氣。
在氣球的頸部打結，然後剪掉氣球的尖端。
用氣球覆蓋杯子的頂部，打結的頸部朝外。
確保將氣球緊緊地粘在杯子的側面——你需要一個密封的氣密！
步驟
選擇較小的杯子開始。透過拉回氣球的結並鬆開它來練習發射空氣炮。嘗試每次拉動氣球相同的距離，以產生相同大小的力將空氣推出。如果你這樣做會發生什麼？你能聽到聲音嗎？你感覺到杯子前面有什麼東西嗎？
站在衛生紙前的一米標記處，發射你的空氣炮，瞄準懸掛的衛生紙。衛生紙會移動嗎？所有的紙片都會移動還是隻有一些會移動？
接下來移動到三米標記處，用你的空氣炮射擊衛生紙。衛生紙仍然會移動嗎？比一米標記處多還是少？
最後到五米標記處，再次將你的空氣衝擊波瞄準衛生紙。你仍然看到衛生紙移動嗎？為什麼或為什麼不？
換成更大的渦流炮並重復步驟。你的結果是否會隨著空氣炮的大小而變化？如果是，如何變化？你是用較小的杯子還是較大的杯子射得更遠？你認為這是為什麼？
額外：使用更大或更小的杯子來製造更多的空氣炮。你能讓空氣渦流移動多遠？你能在你的空氣炮的大小和空氣渦流移動的距離之間找到關係嗎？
額外：嘗試改變杯子底部出口孔的大小。你的空氣炮在較小或較大的孔中表現不同嗎？如何表現？
額外：嘗試製作一個矩形空氣炮？盒子和杯子一樣好用嗎？嘗試一下找出答案！
額外：如果你將氣球拉得更遠以產生更大的力將空氣推出杯子會發生什麼？它會影響空氣渦流的移動速度或距離嗎？
觀察和結果
你能透過向衛生紙發射空氣渦流來使其移動嗎？空氣渦流，基本上是一股空氣，以非常快的速度從杯子中射出，以至於它將衛生紙推開，因此它開始移動。空氣渦流炮的工作原理是快速將力施加到杯子內的空氣分子上。當氣球表面向前彈起時，它會直接與杯子內的空氣分子碰撞，將它們推向並加速它們朝向杯子末端的孔。這種推力啟動了一系列與其他空氣分子的高速碰撞的連鎖反應，它們逃脫的唯一方法是透過杯子末端的開口。每次你使用你的空氣炮時，你都應該聽到空氣透過孔快速逸出的“噗”聲。
快速移動的空氣然後與杯子外的靜止空氣混合，形成渦流。因為環的外部（當週圍的空氣緩慢移動時）氣壓較高，而內部（當渦流中的空氣移動更快時）氣壓較低，所以渦流會旋轉，並在穿過房間時保持在一起。最終，甜甜圈狀的環會分解並消失。你應該注意到，用更大的渦流炮，空氣渦流需要更長的時間才能消失，這意味著它移動得更遠。這是因為你可以將更大體積的空氣推出大炮。其他設計標準（例如出口孔的大小和形狀或容器的形狀（杯子與盒子））也很重要。此外，如果你透過將氣球拉得更遠而在薄膜上施加更大的力，你可以使渦流移動得更遠，因為空氣會更快地被推出杯子。
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