紙氣球裡的科學

從明治時代開始就有的紙氣球 Kamifūsen 是帶著祝福之意的日本傳統工藝品

小時候看同學玩過這種外表看似金含(kim-kâm)糖球有著橘子一瓣一瓣形狀的玩具，其手工粘貼的製作方法如下：

它們是使用半透明的玻璃紙（glassine）製成，比如昆蟲採集後暫時保存的包裝紙或是秤藥紙等。

這種紙很薄而具有可塑性，所製作的紙球可被捏扁並保持該形狀。紙球有一個開孔，可吹氣使其充氣。有趣的是若將紙球捏扁排氣後，只要在遊戲拍打彈跳的過程即可對其重新充氣。因為在拍打凹陷的紙球時，除了會迫使少許空氣從孔中排出，同時也能藉由球內氣壓的增大將原本凹陷的部位敲出。這就類似藉由敲擊紅酒瓶底部所產生的震波可將軟木塞彈出。

由於紙球原本的凹陷處向外開展時能增加容積，加上球皮具有可塑性及少許的空氣從開孔逸出，因此紙球在拍打後的內部氣壓就會低於外界氣壓，於是空氣就會從開孔進入球體內。因為球內低壓充氣的時間比高壓洩氣的時間長，加上拍打時由於壓力波大部分是傳抵球壁而只有少部份能順利從小孔逸出，而且拍打造成的壓力波能在球體內震盪反射。因為進來的空氣量比出去的多，於是持續的拍打就能對捏扁的紙球進行充氣而恢復成充飽氣的球形。也就是說，擊球的動作實際上是增加了紙球的膨脹程度，反覆拍打彈跳於是能讓洩氣的紙球膨脹至完全膨脹的充飽氣狀態。這是壓力波、流體運動和紙張可塑性的結合，在氣球的自我膨脹中共同作用，而這也是 Kamifūsen 的趣味與魅力所在。