烧烤摊专用抽油烟机
隆冬时节，最幸福的情景之一不过就是和朋友们一起吃上一顿火锅子，若是碰巧遇到外面雪花纷飞，坐在屋里窗边的你们享受着美食与暖气，满怀欣喜地等待着这一份饕餮，火锅的雾气扶摇直上，这一切看起来就更是十分美好了。
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然而，正当你享受这样一份安逸的美好时光时，那锅里的雾气却不知为何一个劲儿的往你脸上凑。而且无论怎样更换座位，烟雾总是追着自己跑，难道自己上辈子是个抽油烟机吗？
其实类似的问题也会发生在野外烧烤的过程中，就比如，下面的情形看似很美好：
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但是，慢慢开始，情形变得难以控制：
所以，为什么烟雾总是追着我们跑？今天，就来通过物理的角度和大家讨论一下，为什么每每火锅烧烤就会变成“抽油烟机”的尴尬情况。
首先，为什么会产生烟雾呢？我们可以把烟雾当作是可燃物（比如木头）燃烧时未完全燃烧颗粒（包括固体颗粒、小液滴和气体等）的集合。因为这些颗粒都太小了，小到眼睛无法直接看清，当它们聚集在一起时，我们就会将它们视为烟雾。
与此同时，燃烧还会释放大量的热量，附近的空气分子吸收了其中的热量并开始加速移动。
分子吸热后快速移动，图片来源：science news
由于温度只是表征物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度，宏观上表现出来就是意味着，火焰周围的空气开始升温。靠的近的这些已升温的空气分子动能大与靠的远的还在慢悠悠运动的邻居分子发生碰撞，并将这些邻居送到运动方向相反的远方。
分子碰撞 | gfycat.com
于是乎，火焰附近就会腾出一片空间来，让靠近热源附近的热空气继续膨胀，这一连串的连锁反应事件导致了火焰附近的空气密度要比它稍远一点的周围空气密度小。可能又会有小伙伴想问，这又是因为什么呢？
我们可以回忆一下初中二年级就学过的理想气体定律：
pV=nRT
其中，p、V、T分别代表压力、体积和温度，n是物质的量，R是理想气体常数，应用到这个场景近似可以看出，在其他条件相同的情况下，较热的空气比较冷的空气密度小。
我们常听说的低密度的气体会容易上升这样看来确实也是可以解释的通了。
就比如说，通常我们会认为，在冬天，一栋楼的较高层普遍会比较低层给人的感觉要暖和，就是因为冷空气比暖空气密度大，所以它停留在底部，而暖空气上升。
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再比如说，我们还经常会看到的，装满氦气的气球会很容易就飞走，也是因为氦气的密度低于我们空气的平均密度，这意味着同样大小的氦气球比空气球轻。密度的差异是气球飞走的关键。
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但是关键是，我们以上所讨论的，只是意味着密度较低的空气会上升就是因为它的密度较低。那更加深层次细致严谨的东西可能还需要请出老客人牛顿大人。
牛顿第一定律告诉我们：假设没有任何外力施加或所施加的外力之和为零，则运动中物体总保持匀速直线运动状态，静止物体总保持静止状态。所以必须有一个力的参与，才能使密度低于空气的气球开始向上运动。这个还需要参与进来的力就是重力。
我们很容易理解的是，重力是可以将更冷、更稠密的空气拉向地球表面的，但是在这过程中，还有密度较大的空气也会到达地球表面，它会霸道地扩散到四周，这样的话同时会削弱密度较小的空气，于是乎，这些“能力不足”的密度较小的空气就会被迫上升。当然啦，这个过程在这里只是一个简单的大致叙述。
图片来源：weather.gov，编译：中科院物理所
这么一来的话，再看气球就恍然大悟啦，是气球和其中的空气被重力向下拉，同时有气压试图将气球向上推，但这不足以克服重力，那么气球就会坠落。但是，当用氦气（比空气轻得多）代替空气时，气球重力变小，以至于气压可以轻而易举就将它推起来。
回来继续吃烧烤，我们前面说到，火周围的热空气比它稍远处的空气密度要小。重力把它拉下来的程度小于周围空气把它推上去的程度，这样的话这些烟雾就会升入天空，这就是所谓的对流。因为流体的热导率很小，通过热传导传递的热量很少，所以这就是其主要的传热方式了。对流会出现在非常多的地方，它发生在太阳上、地球上，同时也会发生在你的烤箱里。
烤箱中的对流，图片来源：gifimage
但是在烧烤过程中，上升的空气并不只是自己上升，它还会被周围的空气所推动，因为当热空气从火上移开时，推着它的空气，继续前进，填补热空气走后留下的空白，这也就是你所在的地方。
你是不是就纳闷了，怎么我坐着不动还有问题了嘛？
确实，因为你在那里就类似一堵墙，这阻碍你所处区域的正常空气流动。如果你不在那个地方，来自你所坐位置的空气和其他周边空气一样，整个大部队将在火堆处汇合。但你在那里的话身体就会阻止你身后的空气不会向火堆移动。
无人的火堆，图片来源：Wonder Why，编译：中科院物理所
因此，燃烧的火产生的烟雾将开始向低压区域的方向移动，也就是与你相对方向的空气就会径直朝你走来。同时会把火中的任何烟雾或烟尘一起带过来，所以你不管挪一下还是挪两下，效果都是一样的没有用，因为移动到哪里都会挡住那边方向的空气，给人的印象就像是烟雾一直在跟着你。
有人的火堆，图片来源：Wonder Why，编译：中科院物理所
特别地，如果你们是一群人呆在一个地方，那就意味着更多的人会阻止空气流动，也即会形成更大的真空区域。这么一看的话，烟雾如次钟爱你的谜题就解释的通了。
那么，我们应该怎么做才能有效地避免这个问题呢？
方法一：舍己为人法
你可以（装作）发扬精神，请求自己一个人呆在一边，安排其他人在其他方向就坐。但是这样有一个问题就是，慢慢的他们发现你那边的烟雾好像看起来更小一点，所以都来你那边避难，结果那是可想而知的，只能带来的是全员受难的境地。
方法二：众生平等法
我建议你每次野外烧烤时就随身携带一个量角器，既然我们说一个人坐在一个方向会导致产生真空区域，那直接精确到每个相同间隔方向都坐一个人，这样的话，四面八方的的等量空气被挡住，也就不存在哪一边的真空更严重一些了。
方法三：搭一个达科他火洞
如果想避免在烧烤时让那些烟雾进入你的眼睛和肺部，就可以从源头做起，一开始就不让它产生烟雾。依据前文地理论，为什么会有颗粒聚集物呢？那还不是因为火温度不够，还有就是因为没有足够的氧气。所以我们可以找一个让可燃物燃烧充分的方法——搭一个达科他火洞：
达科他火洞
其实实在不行那干脆直接用无烟燃料，这样大家想坐哪儿就可以坐哪儿。
相信读了这篇文章以后，妈妈再也不用担心你的户外BBQ了！
参考资料：
[1] 燃烧源可吸入颗粒物的物理化学特征[M]. 科学出版社 , 郝吉明, 2008
[2] 传热学[M]. 科学出版社 , 张靖周, 2014
[3] 热学[M]. 人民教育出版社 , 李椿等 编, 1979
[4] 艾萨克·牛顿著．王克迪，译．自然哲学的数学原理[M]．西安：陕西人民出版社，2001.
[5] This is Why … Campfire Smoke Follows You Around
[6]Munson, Bruce R. (1990). Fundamentals of Fluid Mechanics. John Wiley & Sons
作者：中科院物理所新媒体中心
审核：罗会仟 中国科学院物理研究所 研究员
出品：科普中国-星空计划（创作培育）
来源｜科普中国
