隆冬時節，最幸福的情景之一不過就是和朋友們一起吃上一頓火鍋子，若是碰巧遇到外面雪花紛飛，坐在屋裡窗邊的你們享受著美食與暖氣，滿懷欣喜地等待著這一份饕餮，火鍋的霧氣扶搖直上，這一切看起來就更是十分美好了。
動圖來自SOOGIF
然而，正當你享受這樣一份安逸的美好時光時，那鍋裡的霧氣卻不知為何一個勁兒的往你臉上湊。而且
無論怎樣更換座位，煙霧總是追著自己跑，難道自己上輩子是個抽油煙機嗎？
其實類似的問題也會發生在野外燒烤的過程中，就比如，下面的情形看似很美好：
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但是，慢慢開始，情形變得難以控制：
所以，為什麼煙霧總是追著我們跑？今天，就來透過物理的角度和大家討論一下，為什麼每每火鍋燒烤就會變成“抽油煙機”的尷尬情況。
首先，為什麼會產生煙霧呢？我們可以把煙霧當作是可燃物（比如木頭）燃燒時未完全燃燒顆粒（包括固體顆粒、小液滴和氣體等）的集合。因為這些顆粒都太小了，小到眼睛無法直接看清，當它們聚集在一起時，我們就會將它們視為煙霧。
與此同時，燃燒還會釋放大量的熱量，附近的空氣分子吸收了其中的熱量並開始加速移動。
分子吸熱後快速移動，圖片來源：science news
由於溫度只是表徵物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度，宏觀上表現出來就是意味著，火焰周圍的空氣開始升溫。靠的近的這些已升溫的空氣分子動能大與靠的遠的還在慢悠悠運動的鄰居分子發生碰撞，並將這些鄰居送到運動方向相反的遠方。
分子碰撞 | gfycat。com
於是乎，火焰附近就會騰出一片空間來，讓靠近熱源附近的熱空氣繼續膨脹，這一連串的連鎖反應事件導致了
火焰附近的空氣密度要比它稍遠一點的周圍空氣密度小
。可能又會有小夥伴想問，這又是因為什麼呢？
我們可以回憶一下初中二年級就學過的
理想氣體定律
：
pV=nRT
其中，p、V、T分別代表壓力、體積和溫度，n是物質的量，R是理想氣體常數，應用到這個場景近似可以看出，在其他條件相同的情況下，較熱的空氣比較冷的空氣密度小。
我們常聽說的低密度的氣體會容易上升這樣看來確實也是可以解釋的通了。
就比如說，通常我們會認為，在冬天，
一棟樓的較高層普遍會比較低層給人的感覺要暖和
，就是因為
冷空氣比暖空氣密度大
，所以它停留在底部，而暖空氣上升。
圖源網路
再比如說，我們還經常會看到的，裝滿氦氣的氣球會很容易就飛走，也是因為氦氣的密度低於我們空氣的平均密度，這意味著同樣大小的氦氣球比空氣球輕。
密度的差異是氣球飛走的關鍵。
相簿版權圖片，不授權轉載
但是關鍵是，我們以上所討論的，只是意味著密度較低的空氣會上升就是因為它的密度較低。那更加深層次細緻嚴謹的東西可能還需要請出老客人牛頓大人。
牛頓第一定律告訴我們：
假設沒有任何外力施加或所施加的外力之和為零，則運動中物體總保持勻速直線運動狀態，靜止物體總保持靜止狀態
。所以必須有一個力的參與，才能使密度低於空氣的氣球開始向上運動。這個還需要參與進來的力就是
重力
。
我們很容易理解的是，重力是可以將更冷、更稠密的空氣拉向地球表面的，但是在這過程中，還有密度較大的空氣也會到達地球表面，它會霸道地擴散到四周，這樣的話同時會削弱密度較小的空氣，於是乎，這些“能力不足”的密度較小的空氣就會被迫上升。當然啦，這個過程在這裡只是一個簡單的大致敘述。
圖片來源：weather。gov，編譯：中科院物理所
這麼一來的話，再看氣球就恍然大悟啦，是氣球和其中的空氣被重力向下拉，同時有氣壓試圖將氣球向上推，但這不足以克服重力，那麼氣球就會墜落。但是，當用氦氣（比空氣輕得多）代替空氣時，氣球重力變小，以至於氣壓可以輕而易舉就將它推起來。
回來繼續吃燒烤，我們前面說到，火周圍的熱空氣比它稍遠處的空氣密度要小。重力把它拉下來的程度小於周圍空氣把它推上去的程度，這樣的話這些煙霧就會升入天空，這就是所謂的對流。因為流體的熱導率很小，透過熱傳導傳遞的熱量很少，所以這就是其主要的傳熱方式了。對流會出現在非常多的地方，它發生在太陽上、地球上，同時也會發生在你的烤箱裡。
烤箱中的對流，圖片來源：gifimage
但是在燒烤過程中，上升的空氣並不只是自己上升，它還會被周圍的空氣所推動，因為當熱空氣從火上移開時，推著它的空氣，繼續前進，填補熱空氣走後留下的空白，這也就是你所在的地方。
你是不是就納悶了，怎麼我坐著不動還有問題了嘛？
確實，因為
你在那裡就類似一堵牆，這阻礙你所處區域的正常空氣流動
。如果你不在那個地方，來自你所坐位置的空氣和其他周邊空氣一樣，整個大部隊將在火堆處匯合。但你在那裡的話身體就會阻止你身後的空氣不會向火堆移動。
無人的火堆，圖片來源：Wonder Why，編譯：中科院物理所
因此，燃燒的火產生的煙霧將開始向低壓區域的方向移動，也就是與你相對方向的空氣就會徑直朝你走來。同時會把火中的任何煙霧或煙塵一起帶過來，所以你不管挪一下還是挪兩下，效果都是一樣的沒有用，因為移動到哪裡都會擋住那邊方向的空氣，給人的印象就像是煙霧一直在跟著你。
有人的火堆，圖片來源：Wonder Why，編譯：中科院物理所
特別地，
如果你們是一群人呆在一個地方，那就意味著更多的人會阻止空氣流動，也即會形成更大的真空區域
。這麼一看的話，煙霧如次鍾愛你的謎題就解釋的通了。
那麼，我們應該怎麼做才能有效地避免這個問題呢？
方法一：捨己為人法
你可以（裝作）發揚精神，請求自己一個人呆在一邊，安排其他人在其他方向就坐。但是這樣有一個問題就是，慢慢的他們發現你那邊的煙霧好像看起來更小一點，所以都來你那邊避難，結果那是可想而知的，只能帶來的是全員受難的境地。
方法二：眾生平等法
我建議你每次野外燒烤時就隨身攜帶一個量角器，既然我們說一個人坐在一個方向會導致產生真空區域，那直接精確到每個相同間隔方向都坐一個人，這樣的話，四面八方的的等量空氣被擋住，也就不存在哪一邊的真空更嚴重一些了。
方法三：搭一個達科他火洞
如果想避免在燒烤時讓那些煙霧進入你的眼睛和肺部，就可以從源頭做起，一開始就不讓它產生煙霧。依據前文地理論，為什麼會有顆粒聚集物呢？那還不是因為火溫度不夠，還有就是因為沒有足夠的氧氣。所以我們可以找一個讓可燃物燃燒充分的方法——搭一個達科他火洞：
達科他火洞
其實實在不行那乾脆直接用無煙燃料，這樣大家想坐哪兒就可以坐哪兒。
相信讀了這篇文章以後，媽媽再也不用擔心你的戶外BBQ了！
參考資料：
［1］ 燃燒源可吸入顆粒物的物理化學特徵［M］。 科學出版社 ， 郝吉明， 2008
［2］ 傳熱學［M］。 科學出版社 ， 張靖周， 2014
［3］ 熱學［M］。 人民教育出版社 ， 李椿等 編， 1979
［4］ 艾薩克·牛頓著．王克迪，譯．自然哲學的數學原理［M］．西安：陝西人民出版社，2001。
［5］ This is Why … Campfire Smoke Follows You Around［6］Munson， Bruce R。 （1990）。 Fundamentals of Fluid Mechanics。 John Wiley & Sons
作者：中科院物理所新媒體中心
稽核：羅會仟 中國科學院物理研究所 研究員
出品：科普中國-星空計劃（創作培育）
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