03.07 為什麼火焰是上升的,是因為地球引力的作用嗎?引力不是向下嗎?

歆琳科普


在生活中,很多事情的真實本質其實隱藏在表象之後,有時我們瞭解了其發生的部分原因,或者是間接原因,但沒有深挖其本質的原因所在,就會錯失很多有趣的故事。火焰的形狀就是其中之一,看似簡單,其實包含著很深刻的物理本質。

火焰的形狀是我們在生活中經常會看到的現象,不管是何時何地火焰都會往上竄,呈現出“淚滴形”,所以我們形象的稱之為火苗,那麼火焰為何會上升呢?而其上升的原因為何會與向下作用的引力有關?先看下面這張圖片。

火焰不同形狀的間接原因

上圖中的火焰形狀分別呈現出了“淚滴形”和“球形”,左邊的情況是在有引力的作用下形成的,也是我們大家熟悉的火焰,而右邊的形狀是在國際空間站的失重環境下形成的。它們為什麼會表現出不同的形狀呢?相信你肯定聽過下面的解釋。

在地球上,我們常會聽說這樣的真理:冷空氣下降,熱空氣上升,事實確實是這樣的。在火焰附近的空氣被加熱以後,由於密度的減小就會上升,上升的熱空氣就會造成局部區域的壓力降低,而離火焰稍微遠的冷空氣就會下降並且補充到壓力低的區域,然後再次被加熱上升,循環往復。從冷熱空氣的對流,我們就能知道,上升的熱空氣會把火焰帶上去,形成“淚滴”的形狀。

而在失重的環境下,火焰表現出球形的原因,根據上文我們也能猜出來是因為火焰周圍的空氣不會發生對流。也就是說,火焰周圍的熱空氣不會上升,稍遠一點的冷空氣也不會下降。

大多數的回答就只解釋到了這裡,確實也解釋清楚了火焰形狀不同的原因,但根本問題、也就是本質原因沒有說清楚。為什麼失重下的空氣就不發生對流呢?蠟燭火焰周圍的熱空氣密度低,為什麼不會上升?其本質原因就在於引力對大氣的分層作用。

下面我們就瞭解下,引力是如何讓空氣對流的?

根據牛頓的引力方程,我們就能看出引力的作用方式就是對密度更大(質量更大)的物體有著更強的吸引力,而我們地球在形成的過程中,引力就會使得重元素髮生沉降,而輕元素就會上升,從地核到地殼,密度也會從大到小排列,地核密度大於地幔,地幔密度大於地殼。

但是地球目前來說,並不是完美的按照這樣的層次分佈的,也就是說還有大量的、本應該沉降到底部的元素還處在輕元素的上層,這是因為固態物體的流動性差一點,發生沉降的速度十分緩慢,但每個一段時間,地球都會趨向於往更完美的結構發展,也就是重元素就會發生沉降,每次沉降的過程就是地震發生的根本原因,而地震的能量來源正是因為萬有引力的作用。

現在再來看下地殼之上,地殼之上的地球組成要麼是海洋,要麼就是大氣,液態物質和氣態物質的流動性較好,在引力的作用下所有分成也趨向於完美的分層!你看,海洋在地殼之上,大氣在海洋之上;在大氣中更重的氣體在最底部,而那些比較輕的氣體,例如:氫氣、氦氣早已經逃逸的外太空了。這就是為什麼地球氦氣如此稀缺的原因,氫氣因為大量存在於水裡,所以製備氫氣很簡單,而氦氣只能通過地球內部重元素的放射性衰變產生。

正是因為引力對大氣的分層作用,也就是對密度較大的氣體有更強的吸引力,對密度較小的氣體有較弱的吸引力。在蠟燭周圍,空氣被加熱以後密度降低,受到的引力減小,周圍的冷空氣由於密度較高,收到的引力較大,就會迅速的沉降擠佔熱空氣的位置,使得熱空氣上升。也就是說,正是因為引力對冷空氣向下力,導致了熱空氣被擠走,讓火焰向上竄動。所以,在地球上火焰的形狀,其本質的原因是向下的引力作用。

如果在國際空間站,由於沒有引力的作用,熱空氣和冷空氣不會感受到任何力的作用,空氣也不會發生分層,蠟燭周圍的熱空氣會一直包圍著火焰,以分子間的熱傳導和熱輻射的形式散發熱量,並不會發生對流。

所以,綜上所述

正是因為地球上引力的存在,才造成了火焰的形狀,而空氣的對流也只是造成火焰形狀的間接原因。下次,你就可以直接告訴其他人,是引力讓火焰往上竄的。是不是顯的更高大上一點了!


量子科學論


科學一直伴隨在生活當中,而我們肉眼可見的只是科學的一部分,一切事物的特性也是由於一些被隱藏起來的定律,比如樹上的果實都是向下掉落的,還有水也都是向下流一樣。

曾經蘋果落地的一件小事還在牛頓腦子裡引起了不停的思考,為什麼蘋果不向左右掉落,非要往下掉落,於是他認為地球上一定有一種神秘的力存在,它會拉著太陽系中的行星圍繞太陽旋轉。

這到底是怎樣的一種力呢?

慢慢的牛頓提出了引力的假說,正是因為這種力的存在,才發生這些東西向下掉落的事情,但是現在仍然有人提出疑問,既然引力是向下的,為什麼火焰卻是向上升的,難道是其中隱藏的不是引力嗎?

先來好好了解下火焰產生的原理,拿蠟燭的火焰來說,當蠟燭被點燃後,周圍空氣的溫度會隨之上升,而且熱空氣的密度是小於冷空氣的密度,所以熱空氣就會上升,這時周圍的冷空氣就會流過來補充,然後隨著空氣的上升流動,火焰也就會被空氣帶向上方,篝火也是相同的原理。

我們應該還會發現,只要有風吹動火焰,火焰就會忽左忽右飄忽不定,而這一切都是空氣的作怪。其實在一般的情況下,火焰周圍如果沒有太大的氣流,火焰就都是十分穩定的,而溫度也會變得高,同時火苗也上升得高。

為什麼在失重的情況下,空氣就不會發生對流?

這主要就是在於引力對大氣的分層作用,用通俗的話來說,其實就是對密度相對較大的氣體有著更強的吸引力,相反的,對密度較小的氣體則有著較小的吸引力。

在蠟燭的周圍,由於周圍的空氣溫度上升,密度也就隨著降低,而其受到的引力也會減小,冷空氣密度由於比較高,受到的引力小,周圍的冷空氣就會迅速流過來補充,使熱空氣自然就會上升。

總的來說,這些都是由於引力對冷空氣有著向下的力,才導致熱空氣上升,火焰向上,所以火焰上升的主要原因還是由於向下的引力而導致的。


星球上的科學



燃燒由三種基本成分組成:氧氣、熱量和燃料。 火焰本身的熱量將燃料保持在點火溫度,因此只要周圍有燃料和氧氣,它就會繼續燃燒。火焰加熱任何周圍的燃料,所以它也釋放氣體。當火焰點燃氣體時,火蔓延開來。



在地球上,重力確定火焰燃燒的方式。當火焰燃燒時,它會加熱周圍的大氣,導致空氣膨脹,密度降低。重力將更冷、更密的空氣吸引到火焰底部,取代上升的熱空氣。這種對流過程為火提供新鮮氧氣,火燃燒直到耗盡燃料。空氣的上行流量賦予火焰淚珠形狀,並使其閃爍。 火焰中所有的熱氣都比周圍的空氣熱得多(密度也小),所以它們會向低壓方向上升。這就是火通常向上蔓延的原因,也是為什麼火焰總是“指向”頂部的原因。


如果你在一個微重力環境,比如說航天飛機上,火焰會形成一個球體! 但是奇怪的事情發生在太空,在那裡重力失去了對固體、液體和氣體的控制。沒有重力,熱空氣會膨脹,但不會向上移動。火焰持續存在是因為氧氣的擴散,隨機的氧氣分子飄入火中。沒有向上流動的熱空氣,微重力狀態下的火焰呈圓頂狀或球形——由於氧氣流量少,燃燒緩慢。

如果你在微重力下點燃一張紙,火就會慢慢地從一端蔓延到另一端。宇航員也做過太空火焰實驗,太空火焰看起來確實很陌生。 對於反覆無常的地球火焰來說,這種火焰可能顯得異常寧靜。



但是微重力下的火焰可能更持久,能夠靠更少的氧氣燃燒更長的時間。 美國航天局的研究著眼於實際應用。實驗表明,空間站向火焰噴射氣體的滅火器不如陸地滅火器有效,因為它們將空氣(和氧氣)引向火焰,提供額外的燃料。


軍機處留級大學士


火焰向上升確實是地球引力造成的。這並非地球引力對火焰沒有作用,而是比它更重的冷空氣不允許它向下。

和這種現象類似的還有水中的氣泡。這兩種現象的共同特點是,不同比重的氣體或液體在一起時,比重大的受地球引力也大,因此會主動佔據下方空間,剩下比重大的部分就只有向上一條路了。

實際上在火焰周圍空氣流動很快,熱空氣上升的同時冷空氣會迅速補充熱空氣留下的空間,而當冷空氣貼近火焰時又被迅速加熱並開始上升,如此不斷循環就形成了向上的火焰。以上是我的回答。


四重奏6028217


火焰是日常生活中常見的一種現象,可是我們發現在地球上火焰總是上升的,而在我們的印象中,地球上的物質時時刻刻都在受到地球引力的作用有向下運動的趨勢,難道不成火焰不是物質,不受到地球重力的束縛?

首先,火焰的確是一種物質。關於地球上物質的形態,隨著科學技術水平的提升和人們認知水平的提高,從以前的固、液、氣三種物質形態,逐漸拓展為六種,分別是結晶態、玻璃態、液晶態、等離子態、超導態、金屬氫態,而火焰則是屬於等離子態的物質。在物質燃燒的過程中,可燃物與氧氣發生劇烈的化學反應,同時向外釋放熱量,在此期間,可燃物周圍的部分氣體分子在高溫下會發生電離,也就是說原子核與核外電子分離,造成了燃燒發生時一定範圍內的區域,呈現由帶正電的離子與自由態負電子相混合的狀態,這就是等離子態。

火焰作為物質,那麼其本身就會受到地球引力的作用,那麼為何沒有下沉呢?這就牽涉到另外的一種物理規律,那就是在地球引力作用下的空氣對流。空氣作為由不同氣體分子組成的物質,在重力作用下會呈現密度越大、越往下沉的現象,比如二氧化碳的密度比氧氣要高,在地勢低窪之處就比高樓大廈的頂端濃度要高。而溫度越高的氣體,其分子活躍程度就高,分子之間的間距就會越大,從而整體上表現出密度越小,這也是為什麼較熱的空氣會上升、較冷的空氣會下沉的直接原因,而在冷熱空氣的上升和下降過程中,就會引起空氣的對流現象。降雨的發生,其實就是冷暖空氣的對流引起的。

那麼發生燃燒之後,由於對外釋放一定的熱量,就會加熱空氣周圍的空氣,使之密度減小,因此就脫離本來的區域向上方移動。在空氣壓力的作用下,周圍溫度較低的空氣就會被壓進這個區域,繼續重複著被加熱和受熱上升的過程,火焰周圍的空氣因此會反覆發生對流的現象,作為由正離子和負電子混合等離子態的火焰也會受到空氣對流的影響,而靠近火焰的空氣的運動方向是向上的,而且向上的推力已經遠遠大於自身受到地球引力的影響,因此被帶動向上方飄動。

當我們把燃燒的物質帶到太空這種微重力環境之後,這裡空氣異常稀薄,火焰週四的空氣對流也非常非常微弱,因此火焰呈現的基本上是各向同性,表現出球形的狀態。


優美生態環境保衛者


火焰上升:並不是引力決定的,是光熱作用力,引力屬於後座力。要說清楚,不是一二句能講清的。這裡用最簡單的說上幾句。

第一要認識的,引力是以物體為中心,向內吸引,相反:斥力也是以物體為中心,向外輻射。

眾所周知,地面上的空氣,是空氣的最底層,稱呼於一個大氣壓,空氣的密度為10×l0,也是每個空氣分子的距離是10倍。我們生活中氣體,只有萬分之一是空氣,其餘的是空間,空氣中大部分是氮氣,是無色無味,所以我們能看得遠。

如果在這空氣中燃燒物體,火苗就會有上升現象,燃燒物主要是化合作用,也就是產生光子,稱呼於光熱產生。

物體燃燒時會產生氣體,從固體轉化為氣體,體積會擴大一千倍以上,燃燒時發出大量光子,火苗中的光子百分之九十九以上,隨著火苗升騰,只有百分之一是輻射四周圍,所以燒火能取暖。一般物體量大的燃燒,火苗就越升起的高。因空氣的對流,同空氣阻力。火苗有一定的限度,隨著光熱會擴散。總之火焰上升,主要是光子向外輻射,物體引力作為反作用力。


紹明6481


我們現在對大自然的瞭解在地表肉眼可見範圍內可以說非常深刻,也總結出了各種自然現象背後的自然規律,我們稱之為定理、定律等等。那麼火焰上升這一隨處可見習以為常的自然現象又該怎樣解釋呢?確實有地球引力的作用,而且是主要作用,但還有其他因素,這些因素綜合起來,才形成了我們看到的火焰上升的自然現象。

火焰是燃燒這一化學反應的放熱現象

早起人類從自然界獲得火種後,便對其產生了極強的依賴。那火是什麼呢,我們現在知道,火是可燃物質與氧氣的劇烈的化學反應。燃燒這一化學反應是瞬間完成的,如果僅僅是燃燒,是不會出現火焰這一現象的,因為這其中伴隨有物理變化,如可燃物從液態到氣態的變化。比如酒精燈,在酒精、空氣、燃燒能量條件具備後,燃燒開始放熱,酒精由液態變成氣態飛入空氣中,在空氣中開始燃燒的化學反應。我們所看到的火焰,便是空氣中氧氣與酒精分子在達到著火點的情況下燃燒放熱發出的可見光。

萬有引力與熱脹冷縮形成空氣流動

空氣具有熱脹冷縮的特性。而牛頓第一定律就告訴我們力是改變物體運動狀態的原因。局部空氣因燃燒而受熱膨脹,致使其密度變小,此時,周圍冷空氣對這些熱空氣的綜合作用力為向上的浮力,而地球對這些而空氣的引力又會小於這個浮力,所以,受熱空氣所受外力之和為向上的浮力與引力的差值。因此受熱空氣向上運動。這是其原理,至於現象,因為空氣透明,不利於我們觀察,可以仔細想想我們喝的湯汁,從鍋裡盛到碗中後,因為湯汁不是純水,可以看到湯汁內細碎食物的規律運動,四周向下,中間向上翻滾,這些細碎食物便是隨湯汁中的水運動的。而水的運動與這裡的空氣流動同理。

火焰的形成

綜合以上兩點,可燃物質在外界能量作用下,與空氣中的氧氣發生燃燒反應,反應放熱,致使還未參加反應的可燃物分子或粉塵發生物理狀態的變化散發到周圍空氣中,而周圍空氣此時形成了一個向上運動的氣流,可燃物受氣流向上的力作用而隨之向上,在向上運動過程中發生燃燒反應而以電磁輻射(包括可見光)的形式向四面八方輻射能量,形成我們看的見的向上跳動的火焰。

總結:

火焰的上升主要由以下幾點原因:

(1)、地球引力

(2)、燃燒的化學反應為放熱反應

(3)、可燃物質由液態或固態轉化為氣態或粉塵的物理變化

(4)、空氣熱脹冷縮因素。


蛋蛋說科學


當物體燃燒時火焰之所以上升🔥🔥正是因為空氣助燃形成火苗往上升,而受熱的空氣密度是最輕的,所以燃燒後的火焰往上升是不受地心引力影響的。比喻,大森林一旦起火,四周六圍的空氣就象颳大風似的跑來大森林沖當神助攻,而且不斷從地下補充空氣,形成大片大片火光沖天而起,而不是向下,形成火焰上升循環燃燒。


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火燃之所以向上,是空氣冷熱對流產生風的簡單的物理現象所致。OOO火燃燒後近周圍空氣的溫度急劇升高,因氣溫升高後,下面瞬間會出現真空,這時周圍的冷空氣必然會迅速填補這個真空。這種熱空氣(在上)不斷上升,冷空氣(在下)不斷補充,這就形成一種由下而上的一種氣流,自然地帶動火燃(苗)向上,而不是向下!〈〈在空氣中,高溫的空氣總是在上並向上流動,低溫的空氣總是在下,遇火後溫度急劇升高也向上運動而形成向上的氣流~風,這是火焰(苗)向上的根本原因〉〉。人們常說火大自帶風,就是這個道理。與地球引力無絲毫關係。


張永科38


火燃燒的時候要產生大量的熱,火焰的溫度會加熱火焰附近的空氣,熱空氣膨脹密度變小,就會在空氣浮力帶動下形成升力,而升力大於重力,帶著火焰就向上了。



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