03.07 为什么火焰是上升的,是因为地球引力的作用吗?引力不是向下吗?

歆琳科普


在生活中,很多事情的真实本质其实隐藏在表象之后,有时我们了解了其发生的部分原因,或者是间接原因,但没有深挖其本质的原因所在,就会错失很多有趣的故事。火焰的形状就是其中之一,看似简单,其实包含着很深刻的物理本质。

火焰的形状是我们在生活中经常会看到的现象,不管是何时何地火焰都会往上窜,呈现出“泪滴形”,所以我们形象的称之为火苗,那么火焰为何会上升呢?而其上升的原因为何会与向下作用的引力有关?先看下面这张图片。

火焰不同形状的间接原因

上图中的火焰形状分别呈现出了“泪滴形”和“球形”,左边的情况是在有引力的作用下形成的,也是我们大家熟悉的火焰,而右边的形状是在国际空间站的失重环境下形成的。它们为什么会表现出不同的形状呢?相信你肯定听过下面的解释。

在地球上,我们常会听说这样的真理:冷空气下降,热空气上升,事实确实是这样的。在火焰附近的空气被加热以后,由于密度的减小就会上升,上升的热空气就会造成局部区域的压力降低,而离火焰稍微远的冷空气就会下降并且补充到压力低的区域,然后再次被加热上升,循环往复。从冷热空气的对流,我们就能知道,上升的热空气会把火焰带上去,形成“泪滴”的形状。

而在失重的环境下,火焰表现出球形的原因,根据上文我们也能猜出来是因为火焰周围的空气不会发生对流。也就是说,火焰周围的热空气不会上升,稍远一点的冷空气也不会下降。

大多数的回答就只解释到了这里,确实也解释清楚了火焰形状不同的原因,但根本问题、也就是本质原因没有说清楚。为什么失重下的空气就不发生对流呢?蜡烛火焰周围的热空气密度低,为什么不会上升?其本质原因就在于引力对大气的分层作用。

下面我们就了解下,引力是如何让空气对流的?

根据牛顿的引力方程,我们就能看出引力的作用方式就是对密度更大(质量更大)的物体有着更强的吸引力,而我们地球在形成的过程中,引力就会使得重元素发生沉降,而轻元素就会上升,从地核到地壳,密度也会从大到小排列,地核密度大于地幔,地幔密度大于地壳。

但是地球目前来说,并不是完美的按照这样的层次分布的,也就是说还有大量的、本应该沉降到底部的元素还处在轻元素的上层,这是因为固态物体的流动性差一点,发生沉降的速度十分缓慢,但每个一段时间,地球都会趋向于往更完美的结构发展,也就是重元素就会发生沉降,每次沉降的过程就是地震发生的根本原因,而地震的能量来源正是因为万有引力的作用。

现在再来看下地壳之上,地壳之上的地球组成要么是海洋,要么就是大气,液态物质和气态物质的流动性较好,在引力的作用下所有分成也趋向于完美的分层!你看,海洋在地壳之上,大气在海洋之上;在大气中更重的气体在最底部,而那些比较轻的气体,例如:氢气、氦气早已经逃逸的外太空了。这就是为什么地球氦气如此稀缺的原因,氢气因为大量存在于水里,所以制备氢气很简单,而氦气只能通过地球内部重元素的放射性衰变产生。

正是因为引力对大气的分层作用,也就是对密度较大的气体有更强的吸引力,对密度较小的气体有较弱的吸引力。在蜡烛周围,空气被加热以后密度降低,受到的引力减小,周围的冷空气由于密度较高,收到的引力较大,就会迅速的沉降挤占热空气的位置,使得热空气上升。也就是说,正是因为引力对冷空气向下力,导致了热空气被挤走,让火焰向上窜动。所以,在地球上火焰的形状,其本质的原因是向下的引力作用。

如果在国际空间站,由于没有引力的作用,热空气和冷空气不会感受到任何力的作用,空气也不会发生分层,蜡烛周围的热空气会一直包围着火焰,以分子间的热传导和热辐射的形式散发热量,并不会发生对流。

所以,综上所述

正是因为地球上引力的存在,才造成了火焰的形状,而空气的对流也只是造成火焰形状的间接原因。下次,你就可以直接告诉其他人,是引力让火焰往上窜的。是不是显的更高大上一点了!


量子科学论


科学一直伴随在生活当中,而我们肉眼可见的只是科学的一部分,一切事物的特性也是由于一些被隐藏起来的定律,比如树上的果实都是向下掉落的,还有水也都是向下流一样。

曾经苹果落地的一件小事还在牛顿脑子里引起了不停的思考,为什么苹果不向左右掉落,非要往下掉落,于是他认为地球上一定有一种神秘的力存在,它会拉着太阳系中的行星围绕太阳旋转。

这到底是怎样的一种力呢?

慢慢的牛顿提出了引力的假说,正是因为这种力的存在,才发生这些东西向下掉落的事情,但是现在仍然有人提出疑问,既然引力是向下的,为什么火焰却是向上升的,难道是其中隐藏的不是引力吗?

先来好好了解下火焰产生的原理,拿蜡烛的火焰来说,当蜡烛被点燃后,周围空气的温度会随之上升,而且热空气的密度是小于冷空气的密度,所以热空气就会上升,这时周围的冷空气就会流过来补充,然后随着空气的上升流动,火焰也就会被空气带向上方,篝火也是相同的原理。

我们应该还会发现,只要有风吹动火焰,火焰就会忽左忽右飘忽不定,而这一切都是空气的作怪。其实在一般的情况下,火焰周围如果没有太大的气流,火焰就都是十分稳定的,而温度也会变得高,同时火苗也上升得高。

为什么在失重的情况下,空气就不会发生对流?

这主要就是在于引力对大气的分层作用,用通俗的话来说,其实就是对密度相对较大的气体有着更强的吸引力,相反的,对密度较小的气体则有着较小的吸引力。

在蜡烛的周围,由于周围的空气温度上升,密度也就随着降低,而其受到的引力也会减小,冷空气密度由于比较高,受到的引力小,周围的冷空气就会迅速流过来补充,使热空气自然就会上升。

总的来说,这些都是由于引力对冷空气有着向下的力,才导致热空气上升,火焰向上,所以火焰上升的主要原因还是由于向下的引力而导致的。


星球上的科学



燃烧由三种基本成分组成:氧气、热量和燃料。 火焰本身的热量将燃料保持在点火温度,因此只要周围有燃料和氧气,它就会继续燃烧。火焰加热任何周围的燃料,所以它也释放气体。当火焰点燃气体时,火蔓延开来。



在地球上,重力确定火焰燃烧的方式。当火焰燃烧时,它会加热周围的大气,导致空气膨胀,密度降低。重力将更冷、更密的空气吸引到火焰底部,取代上升的热空气。这种对流过程为火提供新鲜氧气,火燃烧直到耗尽燃料。空气的上行流量赋予火焰泪珠形状,并使其闪烁。 火焰中所有的热气都比周围的空气热得多(密度也小),所以它们会向低压方向上升。这就是火通常向上蔓延的原因,也是为什么火焰总是“指向”顶部的原因。


如果你在一个微重力环境,比如说航天飞机上,火焰会形成一个球体! 但是奇怪的事情发生在太空,在那里重力失去了对固体、液体和气体的控制。没有重力,热空气会膨胀,但不会向上移动。火焰持续存在是因为氧气的扩散,随机的氧气分子飘入火中。没有向上流动的热空气,微重力状态下的火焰呈圆顶状或球形——由于氧气流量少,燃烧缓慢。

如果你在微重力下点燃一张纸,火就会慢慢地从一端蔓延到另一端。宇航员也做过太空火焰实验,太空火焰看起来确实很陌生。 对于反复无常的地球火焰来说,这种火焰可能显得异常宁静。



但是微重力下的火焰可能更持久,能够靠更少的氧气燃烧更长的时间。 美国航天局的研究着眼于实际应用。实验表明,空间站向火焰喷射气体的灭火器不如陆地灭火器有效,因为它们将空气(和氧气)引向火焰,提供额外的燃料。


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火焰向上升确实是地球引力造成的。这并非地球引力对火焰没有作用,而是比它更重的冷空气不允许它向下。

和这种现象类似的还有水中的气泡。这两种现象的共同特点是,不同比重的气体或液体在一起时,比重大的受地球引力也大,因此会主动占据下方空间,剩下比重大的部分就只有向上一条路了。

实际上在火焰周围空气流动很快,热空气上升的同时冷空气会迅速补充热空气留下的空间,而当冷空气贴近火焰时又被迅速加热并开始上升,如此不断循环就形成了向上的火焰。以上是我的回答。


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火焰是日常生活中常见的一种现象,可是我们发现在地球上火焰总是上升的,而在我们的印象中,地球上的物质时时刻刻都在受到地球引力的作用有向下运动的趋势,难道不成火焰不是物质,不受到地球重力的束缚?

首先,火焰的确是一种物质。关于地球上物质的形态,随着科学技术水平的提升和人们认知水平的提高,从以前的固、液、气三种物质形态,逐渐拓展为六种,分别是结晶态、玻璃态、液晶态、等离子态、超导态、金属氢态,而火焰则是属于等离子态的物质。在物质燃烧的过程中,可燃物与氧气发生剧烈的化学反应,同时向外释放热量,在此期间,可燃物周围的部分气体分子在高温下会发生电离,也就是说原子核与核外电子分离,造成了燃烧发生时一定范围内的区域,呈现由带正电的离子与自由态负电子相混合的状态,这就是等离子态。

火焰作为物质,那么其本身就会受到地球引力的作用,那么为何没有下沉呢?这就牵涉到另外的一种物理规律,那就是在地球引力作用下的空气对流。空气作为由不同气体分子组成的物质,在重力作用下会呈现密度越大、越往下沉的现象,比如二氧化碳的密度比氧气要高,在地势低洼之处就比高楼大厦的顶端浓度要高。而温度越高的气体,其分子活跃程度就高,分子之间的间距就会越大,从而整体上表现出密度越小,这也是为什么较热的空气会上升、较冷的空气会下沉的直接原因,而在冷热空气的上升和下降过程中,就会引起空气的对流现象。降雨的发生,其实就是冷暖空气的对流引起的。

那么发生燃烧之后,由于对外释放一定的热量,就会加热空气周围的空气,使之密度减小,因此就脱离本来的区域向上方移动。在空气压力的作用下,周围温度较低的空气就会被压进这个区域,继续重复着被加热和受热上升的过程,火焰周围的空气因此会反复发生对流的现象,作为由正离子和负电子混合等离子态的火焰也会受到空气对流的影响,而靠近火焰的空气的运动方向是向上的,而且向上的推力已经远远大于自身受到地球引力的影响,因此被带动向上方飘动。

当我们把燃烧的物质带到太空这种微重力环境之后,这里空气异常稀薄,火焰周四的空气对流也非常非常微弱,因此火焰呈现的基本上是各向同性,表现出球形的状态。


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火焰上升:并不是引力决定的,是光热作用力,引力属于后座力。要说清楚,不是一二句能讲清的。这里用最简单的说上几句。

第一要认识的,引力是以物体为中心,向内吸引,相反:斥力也是以物体为中心,向外辐射。

众所周知,地面上的空气,是空气的最底层,称呼于一个大气压,空气的密度为10×l0,也是每个空气分子的距离是10倍。我们生活中气体,只有万分之一是空气,其余的是空间,空气中大部分是氮气,是无色无味,所以我们能看得远。

如果在这空气中燃烧物体,火苗就会有上升现象,燃烧物主要是化合作用,也就是产生光子,称呼于光热产生。

物体燃烧时会产生气体,从固体转化为气体,体积会扩大一千倍以上,燃烧时发出大量光子,火苗中的光子百分之九十九以上,随着火苗升腾,只有百分之一是辐射四周围,所以烧火能取暖。一般物体量大的燃烧,火苗就越升起的高。因空气的对流,同空气阻力。火苗有一定的限度,随着光热会扩散。总之火焰上升,主要是光子向外辐射,物体引力作为反作用力。


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我们现在对大自然的了解在地表肉眼可见范围内可以说非常深刻,也总结出了各种自然现象背后的自然规律,我们称之为定理、定律等等。那么火焰上升这一随处可见习以为常的自然现象又该怎样解释呢?确实有地球引力的作用,而且是主要作用,但还有其他因素,这些因素综合起来,才形成了我们看到的火焰上升的自然现象。

火焰是燃烧这一化学反应的放热现象

早起人类从自然界获得火种后,便对其产生了极强的依赖。那火是什么呢,我们现在知道,火是可燃物质与氧气的剧烈的化学反应。燃烧这一化学反应是瞬间完成的,如果仅仅是燃烧,是不会出现火焰这一现象的,因为这其中伴随有物理变化,如可燃物从液态到气态的变化。比如酒精灯,在酒精、空气、燃烧能量条件具备后,燃烧开始放热,酒精由液态变成气态飞入空气中,在空气中开始燃烧的化学反应。我们所看到的火焰,便是空气中氧气与酒精分子在达到着火点的情况下燃烧放热发出的可见光。

万有引力与热胀冷缩形成空气流动

空气具有热胀冷缩的特性。而牛顿第一定律就告诉我们力是改变物体运动状态的原因。局部空气因燃烧而受热膨胀,致使其密度变小,此时,周围冷空气对这些热空气的综合作用力为向上的浮力,而地球对这些而空气的引力又会小于这个浮力,所以,受热空气所受外力之和为向上的浮力与引力的差值。因此受热空气向上运动。这是其原理,至于现象,因为空气透明,不利于我们观察,可以仔细想想我们喝的汤汁,从锅里盛到碗中后,因为汤汁不是纯水,可以看到汤汁内细碎食物的规律运动,四周向下,中间向上翻滚,这些细碎食物便是随汤汁中的水运动的。而水的运动与这里的空气流动同理。

火焰的形成

综合以上两点,可燃物质在外界能量作用下,与空气中的氧气发生燃烧反应,反应放热,致使还未参加反应的可燃物分子或粉尘发生物理状态的变化散发到周围空气中,而周围空气此时形成了一个向上运动的气流,可燃物受气流向上的力作用而随之向上,在向上运动过程中发生燃烧反应而以电磁辐射(包括可见光)的形式向四面八方辐射能量,形成我们看的见的向上跳动的火焰。

总结:

火焰的上升主要由以下几点原因:

(1)、地球引力

(2)、燃烧的化学反应为放热反应

(3)、可燃物质由液态或固态转化为气态或粉尘的物理变化

(4)、空气热胀冷缩因素。


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当物体燃烧时火焰之所以上升🔥🔥正是因为空气助燃形成火苗往上升,而受热的空气密度是最轻的,所以燃烧后的火焰往上升是不受地心引力影响的。比喻,大森林一旦起火,四周六围的空气就象刮大风似的跑来大森林冲当神助攻,而且不断从地下补充空气,形成大片大片火光冲天而起,而不是向下,形成火焰上升循环燃烧。


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火燃之所以向上,是空气冷热对流产生风的简单的物理现象所致。OOO火燃烧后近周围空气的温度急剧升高,因气温升高后,下面瞬间会出现真空,这时周围的冷空气必然会迅速填补这个真空。这种热空气(在上)不断上升,冷空气(在下)不断补充,这就形成一种由下而上的一种气流,自然地带动火燃(苗)向上,而不是向下!〈〈在空气中,高温的空气总是在上并向上流动,低温的空气总是在下,遇火后温度急剧升高也向上运动而形成向上的气流~风,这是火焰(苗)向上的根本原因〉〉。人们常说火大自带风,就是这个道理。与地球引力无丝毫关系。


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火燃烧的时候要产生大量的热,火焰的温度会加热火焰附近的空气,热空气膨胀密度变小,就会在空气浮力带动下形成升力,而升力大于重力,带着火焰就向上了。



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