空气炮（Air Cannon）是一种利用压缩空气瞬间释放产生冲击波的装置，既能用于科学实验、趣味游戏，也能作为教学工具演示物理原理，它的核心原理是伯努利方程和气体膨胀效应——通过快速排出高压空气，形成高速气流涡环，甚至能击倒纸杯或熄灭蜡烛，下面将分步骤详解如何用低成本材料制作一个简易空气炮，并深入探讨其科学原理与优化技巧。

材料准备

1. 主体容器：

   可选塑料桶（5-10升）、气球、PVC管（直径10-15厘米）或废弃灭火器罐（需彻底排空）。

2. 密封装置：

   气球（作为弹性膜）、橡胶片或塑料薄膜（如垃圾袋）。

3. 触发机构：

   剪刀、胶带、橡皮筋、硬纸板（制作释放开关）。

4. 辅助工具：

   打孔器、热熔胶枪、烟雾发生器（可选，用于可视化气流）。

制作步骤

基础版：气球空气炮

步骤1：制作炮管

• 取一个塑料桶，在底部中心剪开一个直径5-8厘米的圆孔（边缘用砂纸打磨防割手）。
• 或用PVC管一端蒙上气球，用橡皮筋固定密封。

步骤2：触发机制

• 拉动气球膜向后拉伸（储存弹性势能），突然松开时，空气被压缩并从孔中高速喷出，形成涡环。

测试效果：

• 在炮口点燃线香产生烟雾，可观察到清晰的环形气流，射程约2-3米。

进阶版：活塞式空气炮

步骤1：强化密封性

• 用PVC管两端分别安装可滑动的活塞（硬纸板+橡胶片密封）和固定底盖。
• 活塞后部钻孔连接自行车打气筒（手动加压）。

步骤2：释放设计

• 用卡扣或电磁阀（需电路知识）控制瞬间释放，气流速度更高，射程可达5米以上。

科学原理解析

1. 涡环形成：

   高速气流通过圆形孔口时，因边缘剪切力作用形成旋转的“烟圈”结构，其稳定性由雷诺数决定。

2. 能量转换：

   压缩空气的势能（PV=nRT）转化为动能，遵循伯努利方程：流速越大，压力越低。

3. 优化关键：
   • 炮口比例：直径与长度比为1:3时效率最高（如6cm炮口配18cm管身）。
   • 膜材料：乳胶气球弹性优于塑料膜，回弹速度影响气流初速。

安全与创意应用

1. 安全提示：
   • 避免对准人眼或易燃物，儿童需成人监督。
   • 高压版本（超过0.5MPa）需加装压力表和安全阀。
2. 扩展玩法：
   • 教学演示：解释大气压力、流体力学。
   • 竞技游戏：用纸杯塔作为靶子，比赛精准度。
   • 艺术创作：添加彩色烟雾，拍摄高速摄影作品。

常见问题解答

• Q：为什么我的空气炮射程短？

  检查密封性（漏气会降低压力），或尝试增大膜的回弹速度。

• Q：能否用电动气泵替代手动加压？

  可以，但需控制压力（建议≤0.3MPa），避免容器爆裂。