坐電梯時耳朵像被堵住了一樣，這和“活塞”有什么關系？｜正經玩

把一片紙憑空松開，它當然會掉下來。

但如果把它放進一個直徑幾乎相同的圓筒里，

事情就變得奇怪了——

紙片沒有直接落到底部。

慢悠悠地向下移動。

究竟是誰攔住了紙片？

實驗器材

透明圓筒、紙或薄卡紙、剪刀、直尺圓規、所標杯

！！！安全提示：使用剪刀和圓規時注意安全，小朋友請在家長陪同下完成。避免使用容易破裂的玻璃容器。

實驗步驟

用直尺簡單測量圓筒的內徑，在紙上用圓規畫出一個稍稍小的圓。

將畫好的圓剪下來。紙片的直徑要和圓筒內徑非常接近，但又不能完全卡住，根據實際效果調整大小。

第三步：

將圓筒豎直放置（如果使用的是兩端貫通的管子，最好用膠帶或薄膜封住下端；也可以將下端緊貼在平整的桌面上，盡量減少漏氣）。將圓形紙片豎直放在筒口，然后輕輕松手。

紙片一開始快速墜落，但馬上瞬間剎車減速，保持大致水平，以非常緩慢的速度向下移動，同時伴隨輕微的左右搖晃。

第四步：

用慢鏡頭觀察一開始下落的紙片姿態：剛松手時，紙片會先快速向下墜落。但只過一瞬間，它便會在筒內發生傾斜和翻轉，速度突然慢下來，仿佛在半空中踩了一腳剎車。

第五步：

將紙片邊緣再剪掉一小圈，讓紙片與筒壁之間的縫隙變寬，然后重新釋放。即使直徑只縮小了一點點，紙片的姿態搖擺不定，下降速度也明顯增加。

第五步：

最后打開圓筒底部，或將圓筒稍微抬離桌面，再進行一次實驗，看看有什么現象？

原理解說

紙片剛進入圓筒時，基本是豎直下落的。這時候它并沒有擋住管道，空氣還能從兩側比較順暢地繞過去，所以紙片下落得很快。不過，豎著往下掉的薄紙片本來就不太穩定，稍微受一點氣流擾動，就容易傾斜、翻轉。

等紙片慢慢轉成接近水平的狀態時，情況就變了。它幾乎把圓筒的整個截面都擋住了，空氣也沒法再像剛開始那樣自由通過。 這時候，紙片有點像一個不完全密封的活塞。它在重力作用下繼續往下走，就會不斷壓縮下面的空氣。由于圓筒底部相對封閉，這些空氣不能立刻排出去，下面的壓力就會升高，并對紙片產生一個向上的作用力。

當然，紙片并沒有把圓筒完全封死。下面的空氣還是可以從紙片邊緣和管壁之間那道窄窄的環形縫隙里，慢慢漏到上面去。 但空氣并不是完全沒有阻力的。它是一種有黏性的流體。在這么窄的縫隙里，靠近紙片和管壁的空氣流動會受到明顯限制，很難一下子通過太多。紙片掉得越快，下面來不及排出的空氣就越多，壓力也就越大，對它的阻礙自然越明顯。

所以，當紙片翻成接近水平之后，速度會很快降下來，最后以一個比較小的終端速度慢慢往下落。 這個現象可以理解成一種空氣阻尼，也可以叫空氣墊效應。更嚴格一點說，它屬于受限圓片下落時，由環形窄縫里的泄漏流產生的黏性阻尼，和“擠壓膜空氣阻尼”在機制上很接近。

在理想的層流模型里，空氣通過縫隙的能力大致和縫隙寬度的三次方有關。也就是說，縫只要稍微寬一點，空氣就會容易通過很多，紙片下落速度也會明顯變快。 這就是為什么紙片的直徑必須和圓筒內徑非常接近。紙片太大，會直接卡住；太小，空氣又會輕松從四周繞過去，慢慢下落的效果就不明顯了。如果在紙片中央再打一個孔，也會出現類似結果，因為空氣多了一條更直接的通路，紙片上下兩側的壓力差就更難維持。

那為什么紙片還會輕微搖晃呢？

因為紙片不可能始終保持絕對水平，也很難始終位于圓筒的正中央。紙片只要稍微傾斜，一側與管壁之間的縫隙就會變窄，另一側則會變寬。空氣更容易從較寬的一側泄漏，使紙片下方的壓力分布變得不均勻，從而產生轉動力矩，推動紙片調整姿態。紙片被推回去后，又可能因為慣性稍微轉過頭，隨后壓力分布再次改變，把它推向相反方向。

于是，在整個下降過程中，紙片會不斷經歷“傾斜—糾正—再次傾斜”，表現出輕微的左右搖晃。自由下落的薄圓片本來就可能出現俯仰、擺動甚至翻滾，只是在圓筒的限制下，大幅運動受到抑制，最后只留下這種小幅擺動。

類似的原理也出現在生產生活中。

例如，超高速電梯（≥5 m/s）在封閉井道內運行時，轎廂如活塞般推擠+抽吸井道空氣，形成"活塞效應"。這既增加風阻能耗，又造成井道內壓波動（影響開門）和轎內氣壓驟變（引起耳鳴）。因此超高速電梯井通常需在頂/底甚至中段設通風/泄壓口（GB 7588 要求井道頂通風面積 ≥ 井道截面積 1%），超高層還會做雙井道協同泄壓。

另一個常見例子是閉門器。閉門器內部通常有液壓油和活塞，關門時，液壓油只能從狹窄的閥孔里慢慢通過，于是形成阻尼，讓門緩緩關上，而不是猛地撞上門框。雖然這里用的是液體，不是空氣，但背后的思路是一樣的：只要限制流體流動，就能減慢物體的運動。

閉門器結構，及其狹窄的單向閥貢獻了阻尼力

[1]JSME Fluids Engineering Division. “Dropping a horizontal disk into a cylinder.” 2018.

[2]Bao, M., & Yang, H. “Squeeze film air damping in MEMS.” Sensors and Actuators A: Physical, 136, 3–27, 2007. DOI: 10.1016/j.sna.2007.01.008.

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編輯：二分 & Chocobo