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为什么呵气暖而吹气凉? 精选

已有 22300 次阅读 2014-7-3 07:38 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 温度, 热量, 雷诺数, 呵气, 吹气

话说625日下午在大学同学的微信群里看到当天早上樊同学说的一段话——“发现一个有意思的事情!用嘴吹气的时候,说Ha——吹出的是热气,说Fu——吹出的是凉气,谁能告诉我为什么啊啊啊啊!!!

很快,薛同学给出了极其简洁的第一个解释——“体内气和体外气的区别。”【练气功?】

随后,白同学对这一现象做了第二个的解释——“哈的时候气流速度慢,从热的三个传递方式来看,对流慢,热散失少”。

很快,遭到孟同学“点将”,说俺正写论文解释呢。【天敌良心,俺一般几天才上一次微信,哪有这么快速的反应?】樊同学立刻声明,这题目是他想出来的,要发表应该考虑得给个“第二作者”。【那神码,若有报刊杂志发表本短文,请务必允许至少列上两个作者。】

不久,郝同学说——“控制嘴的开口大小和气体喷出速度,手的感觉就一样了。”

终于,俺禁不住同学念叨,在下午16:00时许上了微信,并立刻放话——“樊金说的现象时存在的,而且我可以很快给出解释。”【解释确实很快就给出了,但文章却拖到第二天早上才开始动笔,一周后才真正写完】并且声明——“豆腐快文章(当然是大豆腐而不是臭豆腐)也是可以写的”“樊金第二作者,必须的!”

然后,柳同学说——“要真写文章的话,要用温度计采集实验数据,观察不同方式不同速度多次吹气温度下降或上升曲线,以及最终收敛温度,并分析对比测量值和感觉的差异,等着看吕教授的论文啦!”【看热闹的不怕事儿大!哼哼。。。】

咱立刻回答说——“文章可以有多种写法,可以干说的。”“当然采集数据对我来说是小意思。。。。。。”【如果愿意,这个确实可以搞一篇学术文章,当然考虑到更多人能看得进去,写篇科普文章可能更合适。】

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【既然当众接招了,就必须有个交待。】

 

其实樊同学描述的现象我们都见过,当然也很容易试验。那天我马上伸出手,放在面前试了下,当然如此。下面,我来详细地解释下原因

   我们可以先从发声时的口形来分析。在发出不同的元音(aoeiuü)时,口形是明显不同的。虽然发音的时候都要呼出一口气,但是在发出Ha等音时嘴唇是大大张开的,而在发出Fu等音时,嘴唇却只张开比较小的幅度。这样一来,发出的声音不一样,而且即使从肺部呼出的空气量完全相同,空气从口腔呼出时的温度都和体温一样,到达手心时的冷热效果却也可以完全不同。

   先说说比较简单的现象——呵气(Ha)暖。

刚才说过,发出a音时的口形是大大张开的(截面积在10平方厘米量级),这样带着人体温的气体在从口唇呼出时其实是一个流动速度是比较慢但截面积很大的暖气团。由于它的运动速度缓慢,雷诺数较低,因此边缘区可能保持类似于层流的状态,气团与外部空气之间主要以气体热传导的方式换热,因此气团内部温度下降比较缓慢,所以在到达离嘴十几厘米的手心时仍保持较高的温度。人的手部由于始终与温度通常低于体温的周围空气保持接触,因此会向周围环境散放热量而使伸开的手心气温明显低于体温。如果从嘴呵出的气体温度高于手心本身的温度,那么其在到达手心时会造成手心温度的上升,因此我们会产生手心更温暖的感觉。

再说说比“呵气暖”更复杂的现象——吹气凉。

在发出u音时,口形是收缩得比较小的(截面积可能不足0.1平方厘米),这样从嘴里吹出来的气体虽然仍带着人的低温,但气体流动速度远高于呵出气体的速度。这样的一个气团,在空间上是一个被拉得很狭长的气柱,这个气柱的表面积会远大于“呵气”团。同时,由于吹出的气体速度远远大于呵出气体的速度,吹出气柱的直径又远远小于呵出气团的直径,在粘度、密度及温度等气体参量基本保持不变的情况下,吹气的雷诺数(粘度、密度和速度乘积除以尺寸)将远大于呵气。因此,吹气将处于湍流状态,在气柱与周围环境空气接触界面处不再仅以简单的空气传导方式发生热交换,而会不断有较冷的空气混入气柱之中,使气柱的温度迅速下降,使得到达离嘴十几厘米远的手心时温度可以基本降至环境温度。但是,这仍不足以彻底解释“吹气凉”的现象。

“凉”意味着比正常环境温度更低的感觉,体感更凉实际意味着更快的散热,也就是更大的热流。有风吹的时候人会感觉更凉,其实流动的空气(温度为低于体温的环境温度)可以通过直接传热或造成水分蒸发带走体表的热量。当人通过嘴唇向手掌心“Fu-Fu”吹气时,流向掌心的其实并不只有从嘴吹出来的空气及与之已经完成混合的环境空气,应该还有由于气体粘滞效应而被高速流动的气流拖曳着流向手心的外围空气。这就造成了较大流量、较高速度的气流冲击手心后向周围散开,结果自然会带走手心更多的热量,因此会感觉手心更凉。

那么,是不是“Fu-Fu”地吹气,一定会让我们感到更凉呢?那倒也未必!如果在吹气时我们把手心渐渐向嘴移动,就会感觉到越靠近嘴感觉越暖热。这是因为,从嘴吹出的空气最初的温度基本是人的体温,在随后的流动过程中温度不断降低,手在靠近嘴的时候吹上去的高温空气,越远则空气的温度越低,因此会产生这种近暖远凉的效果。

 

本文在《中国科学报》发表。

 



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