又有粉絲問W君“手搓等離子炮了”，先得說下這玩意根本算不上什么未來武器形態(tài)，頂多是圖一樂。

在家做等離子炮這件事實際上也不是最近才火的，在互聯(lián)網(wǎng)視頻開始廣泛流傳的初期，這玩意就時不時的現(xiàn)身在各種手工視頻中。到現(xiàn)在如果細算得有十幾年的時間了。

在W君看來這是一個相當中二的玩具，本身并不具備任何武器特性，它的一切設(shè)計都為了滿足中二男人“裝”那么一下子的情緒價值。尤其是纏在外面的那根管子，如果是用在真正的武器設(shè)計中，一定會被所有人嘲笑，這就是中二姥姥給中二開門——中二到姥姥家了。

不過既然拿來寫文章，那么咱們就聊聊這東西內(nèi)部的科學(xué)原理到底是什么。

先說這跟管子為什么中二：

一根長管圍繞在“等離子炮”腔體外面，本質(zhì)上和這門等離子炮的激發(fā)沒有任何直接的關(guān)系，它所能達到的目的就是利用管子的長度，盡量的延長混合可燃氣體的燃燒路徑，讓人能夠直觀的看到一小團火球通過管道沖向燃燒室的過程，這就給人一種“蓄能”的感覺。直至最后火球到燃燒室內(nèi)引燃燃燒室內(nèi)的氣體大規(guī)模的爆燃，男人們的情緒就被一下子推到最高點。

火焰在管道中穿梭，看起來就像一團能量球緩緩積蓄，最后進入燃燒室引爆。實際上，這完全是火焰?zhèn)鞑パ訒r效應(yīng)?！叭紵睅缀跏俏覀兯腥硕家姷竭^的一個現(xiàn)象。但是如果細致的說燃燒，很多人就會因為見得太多而忽略“燃燒”過程中的細節(jié)。就會自然而然的說“燒起來了”，或者“著火了”。但對于燃燒來說是需要三要素的——燃料、氧化劑、溫度。這叫做“火三角”。

那么我們回去看管道中的火球就會發(fā)現(xiàn)這是滿足火三角的燃燒傳遞過程。當在管道中注入可燃氣體例如打火機氣（丁烷）后，管道內(nèi)就開始彌漫著很多燃料，它們是氣體狀態(tài)，很容易和管道中殘存的空氣混合，這就構(gòu)成了火三角的兩個邊：燃料（丁烷氣體）和氧化劑（空氣中的氧氣），僅僅需要一個小火源把溫度提高就可以構(gòu)成“火三角”了，這時候用電子點火器打出一道高溫電弧，瞬間把局部氣體溫度抬高到燃燒條件——火三角被觸發(fā)！

不過事情到這里咱們先別這樣理解，有可能僅僅是電弧引發(fā)了電弧路徑上的可燃氣體和氧化劑反應(yīng)，并不代表燃燒是可以自持的。

首先是大家都會想到的一個問題——充入氣體的濃度。在“火三角”里，燃料和氧化劑同等重要。只有當可燃氣體與空氣的比例處于一個合適的區(qū)間時，燃燒才有可能持續(xù)進行。這個區(qū)間在燃燒學(xué)里被稱為可燃極限，即下限（LFL）和上限（UFL）。如果燃料濃度過低，火焰缺少足夠的可燃分子，哪怕有氧氣和點火源，也只能形成短暫的微弱火光，很快就熄滅；如果燃料濃度過高，反過來又會造成氧氣不足，燃燒反應(yīng)無法繼續(xù)。

舉個例子，丁烷在空氣中的體積分數(shù)必須維持在大約 1.8%—8.4% 之間，點燃后的火焰才能自持。如果混合比例落在這個區(qū)間之外，就算電弧可以把局部的分子點燃，火焰也會因為缺氧或燃料不足而立刻熄滅。這就是為什么很多人在嘗試“等離子炮”時，會出現(xiàn)明明點火了，卻只是“閃一下”的現(xiàn)象。

即便點燃了合適濃度的混合氣體，火焰能否沿管道繼續(xù)傳播，還取決于它自身的傳播速度是否足以抵消局部的流動損失。燃燒學(xué)上把這一特性稱為火焰?zhèn)鞑ニ俣?，在理想條件下是層流火焰速度 SL，在實際管道中則表現(xiàn)為湍流火焰速度。若管道內(nèi)存在氣體流動，速度記作 u，當 u 大于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r，火焰會被“吹掉”，形成“淬滅”；只有當 SL > u 時，火焰才能穩(wěn)定前進。這就是為什么在狹長管道里，點火不一定能看到火球順暢傳播，很多時候火焰只在點火口閃爍一下就熄滅。

同時，“淬滅”不僅僅發(fā)生在被點燃火球里面，要知道管壁的溫度要遠小于火焰溫度，會大量的吸收燃燒所產(chǎn)生的熱量。

若管道直徑過小，與火焰厚度相當或更小時，壁面強烈的導(dǎo)熱作用會把火焰前緣的能量帶走，導(dǎo)致燃燒無法自持，這就是壁面淬滅。

在很多需要防火的環(huán)境中其實也是利用了壁面淬滅的原理。例如將金屬上打很多小孔做成的防火罩。既保證了空氣的流動，又因為壁面淬滅的效應(yīng)阻止火焰向另一側(cè)傳播。

其實利用這種原理的設(shè)計很多，早期在礦井中明火使用的戴維燈也是如此。

也是依靠內(nèi)部的金屬網(wǎng)讓這種燈可以在充滿瓦斯氣體的礦井中使用而不引爆礦井中的空氣。

到了“等離子炮”這跟管子的設(shè)計中，我們要使用逆向原理，要知道管道中的火球在很細的細管或狹縫中往往無法維持的，因此選擇這跟管子就不能選得太細。

再有，我們得關(guān)注管道中火球的熱損失，點火把局部氣體溫度抬高，但熱量會被周圍介質(zhì)和壁面帶走；如果燃燒前緣來不及把熱量傳給未燃混合氣（即停留時間不足），燃燒便無法蔓延。管內(nèi)流場的湍流強度既是敵人也是朋友：強湍流能加速傳質(zhì)、把燃料與氧化劑混合得更均勻，從而提高局部燃速；但過強的對流同時會拉長未燃氣體的換熱路徑、增加局部冷卻，使得火焰前緣更容易被吹散。這里就有管道纏繞形成螺旋狀的精妙之處了。

直管中的火焰前沿是沿著最短路徑傳播的，能量損失主要依賴管壁傳熱和對流換熱；一旦氣體流速偏大或者管壁導(dǎo)熱強，火焰很容易被拉長甚至熄滅。而把管道做成螺旋狀，就等于強行拉長了傳播路徑，使得火焰在同樣的軸向位移中必須經(jīng)過更多的彎曲與壁面擾動。

其實這種設(shè)計在現(xiàn)實生活中我們也可以看到成熟的應(yīng)用案例，那就是發(fā)動機的排氣歧管?，F(xiàn)代高性能發(fā)動機的排氣系統(tǒng)往往不會采用最短直線排氣，而是刻意把各個氣缸的排氣道設(shè)計成等長、彎折甚至螺旋的路徑。這么做并不是為了“看起來復(fù)雜”，而是為了控制流場與能量傳遞。等長設(shè)計可以保證各個氣缸的排氣脈沖在匯合時盡量錯開，從而減少干擾與回壓，使發(fā)動機運轉(zhuǎn)更順暢。彎折和螺旋結(jié)構(gòu)則通過改變流道長度和幾何形狀，調(diào)整氣流的傳播時間和壓力波的相位，讓部分脈動能量被抵消，部分能量被利用，從而提升排氣效率與動力響應(yīng)。同時，在彎折和擴散的過程中，氣體會被迫產(chǎn)生旋渦和剪切層，這種湍流效應(yīng)不僅促進了氣體交換，還在一定程度上起到了降噪和熱擴散的作用。

和“等離子炮”的管子相比，排氣歧管的作用是工程化的、可量化的，它的目標是提高發(fā)動機效率與耐久性。而“等離子炮”的螺旋管設(shè)計，只是把真實的工程手段套在了一個表演性的裝置上，結(jié)果形成了“看似有理、實則裝飾”的中二效果，但如果仔細計算和測試，火球的螺旋推進還可以做得更加酷炫。

那么為什么要兩個桶對著扣在一起呢？很多人覺得這是一個“拉瓦爾噴管”的模仿，但實際上這點燃燒產(chǎn)生的氣體流速，根本達不到真正噴管所需的量級。拉瓦爾噴管的作用在于利用收縮—擴張的幾何結(jié)構(gòu)，將高溫高壓氣體加速到超音速甚至更高，依靠連續(xù)的能量轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)推力。而“等離子炮”的所謂“爆炸”僅僅是低壓爆燃，壓力上升幅度有限，氣體流速遠未到臨界馬赫數(shù)，更談不上通過喉部加速到超音速。

兩個桶扣合在一起的真正作用，是形成一個臨時的燃燒腔+空氣炮結(jié)構(gòu)。前一部分作為燃燒室，完成氣體的混合點火與膨脹；后一部分則像是空腔炮筒，把這股熱膨脹產(chǎn)生的空氣團推出去。最終的效果并不是高速噴流，而是一個短時的氣體脈沖，把腔體內(nèi)空氣整體推出，形成近距離的沖擊。

其實就是一個彈性空氣炮被取代掉了后面的蒙皮，用可以“爆燃”的燃燒室提供高壓氣體的結(jié)構(gòu)了。

那么空氣炮的原理是怎樣的呢？

通常，空氣炮的腔體開口會有一個遮擋環(huán)，這個遮擋環(huán)并不是匯聚腔體內(nèi)的氣壓。而是遮斷開口四周的空氣和開口中噴出的空氣之間的聯(lián)系。

如果沒有遮擋環(huán)，腔體內(nèi)噴出的高速空氣會與周邊靜止空氣直接摻混，能量很快被擴散掉，渦環(huán)的卷吸作用也會被破壞。遮擋環(huán)把桶口“框”了出來，讓腔體內(nèi)部噴出的氣流首先與自身形成回卷渦，而不是立刻被周邊大氣稀釋。這樣，空氣團就能卷成一個穩(wěn)定的環(huán)形渦流結(jié)構(gòu)，帶著動量向前推進。

換句話說，這背后還是伯努利原理在起作用。噴出口附近的高速氣流，因速度大而靜壓低，與周圍相對靜止空氣之間形成壓差，再加上邊緣處的強烈剪切，空氣被卷入形成回流，進而演化成穩(wěn)定的渦環(huán)。遮擋環(huán)的作用，就是人為地穩(wěn)定這一過程，避免高速氣流過早與外界混合，使得低壓區(qū)得以維持，從而保證渦環(huán)生成。這也就是為什么從空氣炮中能吹出很有“質(zhì)感”的空氣彈的主要原因了。

但和彈性蒙皮鼓動的空氣炮不同的是，手搓等離子炮并不具備在空氣炮腔室內(nèi)迅速的鼓動一大塊空氣高速壓縮的能力。畢竟這只是兩個首尾相接的瓶子而已。在燃燒室內(nèi)燃燒所膨脹出來的氣體也只能依靠礦泉水桶的小口傳遞。

這樣一來，氣團的質(zhì)量和速度都受到限制，渦環(huán)雖然可以形成，但動量遠不如真正的空氣炮那樣集中。換句話說，它更像是“燃燒推動空氣”，而不是“空氣壓縮成彈”。

這時，飲水機桶就成了一個意外合適的材料。它本身的桶壁足夠堅固，可以承受燃燒瞬間的壓力波動，不至于被撕裂。同時，透明材質(zhì)讓內(nèi)部火焰的傳播路徑清晰可見，滿足了“中二感”的視覺需求。更關(guān)鍵的是，飲水機桶內(nèi)壁并不是光滑的，而是帶有一圈圈的凸起筋條。這些筋條會在燃燒膨脹過程中制造擾動，打破層流狀態(tài)，使氣體混合更劇烈，火焰更容易蔓延，看上去就像火球在“爬行”一樣；同時在燃燒室中產(chǎn)生高壓充入空氣炮腔室的時候也會形成湍流。

這樣本身在一瞬間內(nèi)就可以加強和放大氣體噴出的效果。不過，這一點也是手搓等離子炮還可以改進的地方。燃燒室繼續(xù)用飲水機水桶問題不大，但空氣炮腔體利用更光滑的材料本質(zhì)上是更好。我們只需要在兩者的接口位置放一個空氣阻尼裝置就可以放大這部分能量利用率。

比如在開口位置加一個薄膜隔離層，哪怕是一個安全套這樣的柔性膜片。當燃燒室發(fā)生爆燃時，柔膜會被瞬間膨脹頂起，就相當于傳統(tǒng)空氣炮里“手拉皮腔”的自動化版本。區(qū)別在于，這里不是靠人手拍擊空氣，而是利用燃燒能量直接驅(qū)動膜片，把空氣整體推出去。這樣既能保持空氣炮特有的“空氣彈”結(jié)構(gòu)，又能把燃燒釋放的能量更有效地轉(zhuǎn)移到空氣團上。

最后，我們還得回答一個直觀問題：為什么空氣能帶著能量傳播？畢竟空氣是流體，看起來應(yīng)該立刻擴散掉才對。但事實上，當燃燒膨脹把空氣炮腔體里的空氣推出去時，桶口的剪切作用會把氣流卷成一個環(huán)形渦流。這個渦環(huán)就像一個“空氣甜甜圈”，它不斷把周圍的空氣裹挾進來，并且在環(huán)內(nèi)維持一個相對穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。正是這種結(jié)構(gòu)，讓動量集中在渦環(huán)里，而不是立刻被四散消耗。

因此，火球看上去就像一個整體被拋射出去，甚至能在幾米外保持沖擊力。這和我們吐出的煙圈可以飛出很遠是同一個道理：空氣并不是均勻擴散，而是被組織成了一個自維持的流體結(jié)構(gòu)，能在傳播過程中保持能量和形態(tài)。

從工程角度看，這樣的手搓“等離子炮”效率很低，噴出的氣團很快會因粘性耗散而衰減，無法真正轉(zhuǎn)化為遠距離的有效沖擊。但從視覺效果上，它確實給人一種能量凝聚、火球飛出的強烈錯覺，也正是這種錯覺，滿足了“手搓等離子炮”的全部情緒價值。

其實，在很多很好玩的自制玩具中有很多中二的情節(jié)，但是不妨礙我們從中找到一些很有意思的工程系、物理學(xué)、光學(xué)、化學(xué)知識點，想必，這也是“手搓”的價值所在了。