为什么火焰在重力作用下不会“掉下来”？失重下的火焰会怎么样？

原创2020-10-28 11:17·怪罗科普

我们知道，地球上的一切物体都会受到重力的作用。如果没有了重力，整个地球都会乱了套。

但有一种东西貌似不受重力的作用，它老是在原地漂浮甚至还会上升，这种东西是什么呢？

答案是火焰。

燃烧的火焰似乎的确没有重量，因为我们从来没有看到它“掉下来”过，这到底是为什么呢？

重力——地球的“镇球”之力

1687年，英国物理学家牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，在该书中他阐述了万有引力定律。

万有引力定律指出，任何物体之间都存在相互吸引力，这个力的大小与它们的质量成正比，与它们距离的平方成反比。

图为：万有引力示意图

万有引力定律也被成为牛顿第一定律，是自然科学领域中最重要的定律之一。它的发现也为天体力学的出现奠定了基础。

生活在地球表面上的我们与地球之间同样存在万有引力，它的主要表现形式就是我们熟知的重力。

但重力并不完全等于万有引力，这是因为地球在自转我们也跟着转，转的时候需要向心力，向心力从何而来？只能是用万有引力中的一部分来充当。

所以，对于地球上的物体而言，万有引力实际上是重力与向心力的合力。只是因为向心力过于微小才被忽略不计的。

由于有了重力，地球上的一切物体才能安安稳稳待在地球表面不会乱飘，抛出的物体才能又返回地面。

燃烧是怎么一回事？火焰是物质还是现象？

燃烧是一个快速的释放热量的过程，其本质是可燃物与氧化剂相互作用氧化还原反应时，化学能快速释放为热能和辐射能的过程。

按照能量传递的方式，可以将燃烧分为缓燃和爆轰两大类。日常生活中绝大部分的火都属于缓燃，而爆轰主要见于炸药之类。

要发生燃烧现象必须具备三个要素：可燃物，助燃剂以及不低于燃点的温度。这三种要素也被成为燃烧“铁三角”。

按照我们的常识，燃烧一般会产生火焰，但并不是所有的燃烧都会产生火焰，有的燃烧只会放出白烟，这种燃烧也被成为闷烧。

看得出，火焰与闷烧是相对应的，一个发光，一个不发光。

那火焰到底是物质还是现象呢？如果是物质的话它一定会受到重力的作用，如果只是一种现象的话就谈不上受不受重力了。

火焰其实是一种发光现象。当可燃物达到一定的温度时就会进入白炽状态，也就是产生了可见光的状态。

白炽状态的实质是，可燃物中的粒子由于吸收了大量的能量而释放出光子，光子也就是组成我们看到的光的基本单位。

既然火焰是一种现象，那意味着单独讨论火焰受不受重力是没有意义的，我们想探究的问题的本质并不在这里。

图为：浮力

一种与重力相反的力——浮力

公元前245年，阿基米德在洗澡的时候灵感乍现，发现了浮力原理。

他认为，浸入水中的物体会受到一个竖直向上的力，这个力的大小等于物体出的水的重量。

这一发现推广开来就是：处于流体（气体、液体）的中物体，各个表面所受到的流体的压力的总和（矢量和）就是浮力。

掉进水里的东西的会浮上来，有的则会沉底，这是因为有的物体在水中的浮力比重力大，有的物体则浮力比重力小。

与浮力息息相关的一个概念是密度。密度是一个用来描述物体的疏密程度的物理量，它是指一单位的体积中含有的质量。这可以从它的基本单位kg/m^3中看出。

从密度角度我们可以更简明的描述物体的上浮与下沉：依旧用水举例子。

对于处于水的物体而言，当它的密度大于水的密度时下沉，当它的密度小于水的密度时上浮，当二者密度相等时物体则悬浮于水中

同样的道理在空气中也是如此。

当空气中各部分受热不均时，温度高的气体密度会变小从而上升，而温度较低密度相对较大的则下降，补充上升空气留下的空位。

这也就是空气中的对流现象的本质。

火焰到底是如何形成的

根据前面的叙述，相较于火焰受不受重力这个问题，我们更应该探究的是火焰是如何形成的，或者说它为什么呈现出我们看到的形状。

我们以燃烧的蜡烛为例，为什么它的火焰呈现出笔直向上的态势？

其实，蜡烛中的可燃物是石蜡，石蜡的熔点在50℃左右，沸点大概是300-500℃。点燃蜡烛的过程实则是石蜡固态转变为液态再转变成石蜡气体的过程。

石蜡气体在外部温度的影响下进入白炽状态，其内部的粒子吸收了大量能量开始释放光子，从而我们看到了蜡烛的火焰。

因为光子由石蜡气体中粒子释放，所以火焰的形状也就是石蜡气体的分布位置。火焰是细长而且呈上升形式的，我们可以说，石蜡气体是呈上升状态的。

图为：火焰对流示意图

石蜡气体为什么会上升？

我们上面已经说过对流现象，而石蜡气体的上升正是属于对流现象。

受到加热的石蜡气体由于热膨胀导致密度变低，从而上升（也就是浮力大于重力），而周围的冷空气密度相对较大，于是沉降在石蜡气体下方。

我们也可以说，是冷空气将石蜡气体抬升，使得火向上燃烧，从而火焰呈现向上的态势。

图为：正常重力（左）和微重力（右）火焰对比

可以看出，火焰的形成的根源还是离不开重力的。国外有项实验发现，蜡烛的火焰在无重力环境下是呈球形的。

这是因为没有了重力也就没有了浮力，没有了浮力就没有了对流现象，石蜡气体不会被抬升或挤压，它会向任何方向飘散，于是火焰呈球形。

图为：太空点燃的火焰

最后

小小的火焰中有如此大的乾坤，而这正是科学的魅力所在。生活中有很多我们司空见惯的现象，其背后的原理值很得我们去探究。

顺便感慨一句，看来在这个星球上没有什么物体是可以逃脱重力的束缚的！

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