沉浸在科学风暴展厅

小草

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探秘景点：科学风暴展厅

2025年9月2日我们参观完芝加哥科技与工业博物馆（Museum of Science and Industry, Chicago）的“亨利皇冠太空中心”后，上到二层进入“科学风暴”（Science Storms）展厅。

“科学风暴”展厅具有视觉冲击力，参观者直面自然界的震撼场景，引发好奇。旨在通过互动体验揭示自然现象背后的科学原理，激发公众（尤其是青少年）对科学和工程的兴趣。

当我们一走进展厅，只见大型互动装置以真实比例或放大模型充塞了双层展厅。各种装置聚焦自然界中如风暴般强大且动态的现象（如龙卷风、闪电、海啸、火焰）。有些观众边看展品边探索其科学原理；有些观众模拟自然现象，进行沉浸式体验。

展厅通过光影、动态模型等直观呈现抽象概念（如流体动力学、化学反应）科学原理；参观者可调整参数，观察现象变化，理解变量间的关系。

一股巨形龙卷风（Tornado）吸引了我们的眼球，走近一看，一个人竟然被一股巨大的螺旋状旋转的龙卷风吸住了。在自然界中，热而潮湿的空气会上升形成巨大的雷暴云。自然界的龙卷风的旋转受到不同高度和速度碰撞的风的影响。在自然界中，这种效果是通过高速风向不同方向吹入来实现的。但这室内的龙卷风来自哪儿？

原来，这里通过高达40英尺（约12米）的垂直风洞模拟旋转气柱，展示低压涡旋的形成。这巨大的旋转雾柱的行为方式类似于龙卷风。

首先，天花板上的排气扇将潮湿的空气从地板上吸起，形成上升气流。其次，侧壁上的通风口控制水平风向，使上升的空气旋转，形成一个250英里/小时快速旋转的涡旋。再次，通过操纵这个空气涡旋，从而改变涡旋的形状。

🔺视频：感受龙卷风

让我们动手操作一下吧！按下按钮，移动杠杆以控制四个通风口的气流，使空气受不同高度及速度的风碰撞的影响使涡旋旋转。通过实地操作，控制气流速度与湿度，我们观察到涡旋形态变化，理解了科里奥利效应与热对流作用的科学原理。

隔着模似龙卷风我们看到靠墙那儿有一排火焰（Fire）在燃烧。

火是一种称为燃烧的化学反应。当火势变得极其猛烈，以至于空间内的所有表面都开始起火时，就发生了闪燃现象。

我们通过改变燃气成分或氧气供应，观察火焰高度、颜色及稳定性的变化。看到燃烧的氧化反应过程，认识到喷水系统通过在火源上喷洒细水雾，降低了火反应的温度，从而为消防部门争取了到达现场并扑灭火焰的时间。

火焰照亮了地上的三个巨型圆圈，这是由展厅最高大的粉色的驻波发生器投射下来的。要上二层才看得清楚是怎么发生的。能量通过绳子移动，根据波的频率、振幅和波长产生戏剧性的波形。当绳子的两端同时出现频率和振幅相同的两个波时，就会在中间形成一种特殊的波形，这种现象被称为驻波，因为这种波看起来并没有移动，它只是在原地振动。

正当我们在欣赏驻诐时，突然一阵“兹兹”叫的声音响了起来，抬头一看，原来头顶上的特斯拉线圈正在闪电（Lightning），二层的显示幕正在播放闪电的原理等科学知识。

闪电是巨大的电荷火花

——尼古拉. 特斯拉（电气工程师）

尼古拉·特斯拉对电很着迷。他发明了你头顶上的特斯拉线，并启发了20世纪的发电。

特斯拉的目标是建造一种不用电线就能通过空气的线圈来研究无线电源的想法。

特斯拉用他的线圈的不同版本来研究从电灯到电疗的一切。他甚至试图制造一台能够从纽约空运电力到巴黎的机器。随着他的合作伙伴——乔治西屋.特斯拉介绍了世界交流电(AC)电力。这对夫妇用交流电源点亮了1893年在芝加哥举行的哥伦比亚博览会。

通过按钮触发放电，观察闪电路径与绝缘介质（如空气）的击穿现象。

🔺视频：利用特斯拉线圈模拟人工闪电，展示电弧产生、电离路径与电磁效应。

走下平台，我们看见有人正在大型水槽模拟不同波长与振幅的波浪，解释海啸与普通风浪的能量差异。他们可以调整水槽底部地形或扰动频率，观察波浪传播、反射及破碎过程。

波浪——巨大的力量。海洋蕴藏着惊人的能量，如果加以利用，可以为地球上的每个人提供很多倍的电力。Annette von Jouanne和她的同事们探索了海浪能作为一种可再生能源。他们使用俄勒冈州立大学的波浪水槽来测试波浪能量原型。

转动敲击旋钮以产生波浪。观察波浪在与光滑表面碰撞时的反射情况。

注意波浪在碰到锯齿状表面时如何扩散。

波在反射到障碍物后移动的方向取决于障碍物表面的形状。

当波浪撞击屏障的光滑一侧时，它们的能量会简单地反弹回去。当它们遇到粗糙、锯齿状的边缘时，能量会被分散。

海啸是以巨浪形式快速移动的能量。科学家们使用类似这种波浪水槽来研究海啸和其他海浪。波将能量从一个地方转移到另一个地方。大多数海浪是在风吹过海洋表面，将能量转移到水面时形成的。然而，当地震或山体滑坡等剧烈的水下事件向水中释放大量能量时，海啸就会形成。由此产生的海啸浪潮将能量带过整个海洋。

触摸地球上的热点以查看真实海啸的模拟。在实际海啸期间，这些预计算的模型可以更新以接收数据，从而提供非常快速的预测。

这艘2008年5月20日发现的DART浮标在阿拉斯加湾的锚泊中脱钩并被海啸冲到400多英里外的科迪亚克岛海岸。

2010年1月5日，一场7.e级的地震引发了一场海啸，袭击了所罗门群岛。海啸到达岸边时高度约为10英尺。美国国家海洋和大气管理局的DART (深海海啸评估和报告系统)浮标预警系统在海浪穿越海洋的过程中对其进行了测量。这些数据被美国国家数据浮标中心的研究人员接收，随后他们迅速向岛上的居民发出了海啸即将来袭的预警。

在大型水槽的旁边我们看到了一系列有关光的传奇。下面的太阳辐射与光能（Solar Radiation）装置。大型透镜阵列聚焦光线产生高温，展示光能转化为热能的过程。

太阳向地球倾注的能量足以在每小时提供数百万千瓦的电力。该博物馆屋顶上的聚光镜反射的阳光照射到太阳能电池板上，将太阳的能量转化为电能。这种太阳能为这个展览中的汽车提供动力。科学家和工程师们正在努力开发更高效的方法来利用太阳近乎无限的能源供应。

通过操作，可以调整透镜角度或遮挡部分光线，观察焦点温度变化。

光纤电缆通过传输光信号来在长距离上发送信息。这些电缆无处不在。它们传输着我们在电话电视和互联网上所听到和看到的语音、数据和视频信号。

千禧公园的云门雕塑是一个高度抛光的金属表面，可以产生令人惊叹的城市天际线反射。碗形底部反射出所有站在它下面的人的各种扭曲图像。光线在镜面反射，产生令人眼花缭乱的效果。

为什么云门上的天空是蓝色的？波长较长的光线，如红色、黄色和橙色，会直接穿过大气层中微小的气体分子。而波长较短的光线，如蓝色，会被这些气体吸收。随后，被吸收的蓝色光线被释放出来并四处散射，使得天空呈现出蓝色。

我们进入全内反射的房间去体验显示墙上创建的不同图案。头顶的光线穿过桌上的物体，进入下方的光纤电缆。然后，它沿着电缆内部通过全内反射的方式行进。在这种特殊的反射类型中，没有任何光线通过侧壁离开光纤电缆。光线会在电缆的长度上反弹，最终在墙壁上呈现出一种光与色的展示效果。

混合红、蓝和绿光的波长会改变物体的颜色，因为光线要么被吸收，要么被反射。混合光的原色被称为加色。如果 你将三种颜色全部混合，你会得到白色。

做完实时热成像相机图像对流实验后我们对下面的雪崩与粒子流（Avalanche & Granular Flow）产生了兴趣。

倾斜沙槽模拟雪崩或流沙，展示颗粒物质的流体化行为。改变斜面角度或颗粒大小，观察流动阈值与堆积形态。只见不同的力在起作用，以在雪崩盘中创造出令人惊叹的图案。重力使颗粒在盘子旋转时下落。摩擦减缓颗粒的流动。颗粒之间的碰撞影响颗粒运动的方向。向心力使颗粒沿圆周路径移动。

五百年前，列奥纳多·达·芬奇提出了第一个测试摩擦力的实验。他开创性发现:摩擦是一种减慢物体运动速度的力。摩擦力影响物体的运动方式。静止的物体若要移动，必须克服摩擦力。随着桌面的倾斜，向下拉动冰球的力量会增加。当这种力量变得大于摩擦力时，冰球便开始滑动。摩擦力的大小取决于物体表面纹理的粗糙程度。粗糙的冰面具有更多的摩擦力，因此需要更大的力才能使其移动。向下移动物体，接触面积的大小对摩擦力没有影响。

下面是达芬奇摩擦实验的草图

快走出展厅的这扇墙上挂着装满各种五颜六色物质的玻璃圆盘，吸引我们停下来看看。原来这是做巴西坚果效应（即每次你打开一罐混合坚果时，大巴西坚果总是在最上面。）的交互式控制台。

我们将容器放在支架上，大颗粒靠近底部。按住带有匹配字母的计时器按钮以摇动谷物。当大颗粒到达顶部时释放计时器。比较每个大谷物到达顶部所需的时间，了解小颗粒的大小如何影响上升时间。

动手操作后我们发现，容器中的大颗粒大小和形状相同，它们到达顶部所需的时间取决于小颗粒的大小和形状。较小的颗粒通过这些空隙下落并沉到底部，将较大的颗粒推向顶部。

展厅通过“现象观察-原理探究-动手验证”的流程，让参观者理解能量转换、流体力学、电磁学等核心概念，并强调人类利用科学应对自然挑战的智慧（如防风工程、能源利用）。这种体验式学习契合博物馆“让科学变得可触、可感”的使命，使人留连忘返，收获满满。