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欢迎转载，同时请注明本文来自“天汉听涛”的博客。 链接地址：http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog_18b6333050102y7cw.html?vt=4 以下是原文： ----------------------------------------------------------------------------- 《连通器与虹吸现象解释及弹簧串模型初探》 多年来人们对虹吸现象以及连通器发生的原理有几种解释，争论不休，难以定论。本文从另一个角度进行分析，计算，支持了“重力驱动“的说法，对大气压起的作用也给予了客观的评价，同时提出了一个”弹簧串模型“，对解释原理有一定的帮助。 要想说清楚虹吸原理，必须先从基本的物理概念和原理说起。 一，液体的物理性质和四项“基本原理”。 1. 液态，是物质存在的六种状态中的一种。常见物质分固态，液态，气态，它们的显著区别是分子之间的距离，液态的分子之间距离介于其它两种之间，同时也表现出特殊的外部特性 ，就是分子之间距离的变化与分子力的变化不呈简单的线性。距离近了，对外表现出弹性。距离远了，分子间又表现出相互的吸引力。具体表现就是液体可以轻微地被压缩，但是继续压缩，液体会表现出巨大的抗力。在一般的物理计算中常把液体当成理想液体，不可压缩和无粘滞阻力。 液体中分子呈现规律的分布并紧密排列，分子间通过分子键的偶极性相互吸引在一起，这个作用力叫范德华力。 一些文献上说，液体的流动性不是分子之间的滑动，液体分子经常以分子团的状态存在，流动实际上是分子团之间的滑动。 当液体被轻微压缩时，其内部的压强会向四周传递，这种压强在液体整体中各处是相等的，也称为“内压”，它不受位置与高度的限制，上下左右都是一个数值。 在一个大气压强度的大气中液体受大气包围，在自由且静止状态下其内部的“内压”就是一个大气压值，且各处相等。 但是液体也可以在小于一个大气压压强的环境中存在，这时液体内压随之改变。 在一个上端封闭的容器中，液体有自重，它会有下落的趋势，但是下端有一个大气压在支撑着它，而液体自重产生的压强是由下而上递减的，到了顶部自然为零，但是大气压减去这个液体自重底部最大值的压强之后还剩余一个数值，这个数值将小于一个大气压，这个压强就是常说的“负压”，它对于真空来说是正值，对一个大气压来说是负值。 这个“负压”在液体中是四处全方位相等的，它作用在管壁上，不随高度变化。 实质上液体在这里表现出的“负压”就是相对与在一个大气压自由状态下分子之间的 “放松”，分子之间距离远了。但是相对于真空来说，只要有“负压”，液体总是被压缩,也是一种能量的储存。在伯努利方程中内压称为压力势能，其实就是液体分子间的弹性分子力势能，它除了基本粘聚力之外是附加的势能。 如果在真空的状态，压力势能则释放为零，只剩下分子间的内部粘聚力了，它维持液体正常的状态。于是液体内的压强就可以分为“绝对压强 ”和“相对压强”，绝对压强相对于真空而言，相对压强就是相对于大气压而言，也称“负压”与“真空度”。 讨论虹吸现象如果不讲内压与负压，只讲表面现象，很难解释清楚。 2. 液体内部分子之间存在一种粘聚力，这是液体分子之间的吸引力造成的，它使得液体在一般的状态下不至于分解和溃散。液体能承受压力，压力使分子之间更紧凑。真空环境下液体呈放松的自由状态，有些种类的液体会剧烈沸腾蒸发，但有些液体蒸发的程度可能不那么强烈，分子之间的粘聚力仍然发挥作用。许多液体在一个大气压之下会很好地存在。 3. 单独地说，当液体有一定高度（或深度）时，液体也受自身重量产生的压强影响，但是它是随液体深度而变化，且是在同一个水平方向上相等。在处于一个大气压的环境中，液体的各处的内部压强多是几种压强的叠加，即底部压强等于内压“即负压”加上液体重力压强其和等于一个大气压。在一定深度的液面里只有唯一的一个数值的压强。 4. 同理，在液体的顶部是没有重力压强的，同时也只有一个数值的“负压”, 底部的液体重力压强是不能够“直接等值传递”到顶部的，它会自然减少到零。如果在顶部或底部取出一个“很薄的液片“，它的左右两侧的压强是相等的，不存在压强差。 在不平衡状态下液体与固态容器接触的界面上可以存在压强差。 简单地说，以上四条就是讲：液体内部可以有负压各处相等---液体分子间有粘聚力---底部等于负压加重力压强---顶部只有负压，没有重力压强。 说“负压”，似乎总要是负值。计算中很不方便，还是称“内压”为好，这样就只是正值了，以下改称”内压“。 上述说法如果被推翻，以下的论述将失去依据。 二．先从托里拆利真空实验谈起 很早以前一位外国的科学家托里拆利先生做了一个很有趣的实验，他把一根大约一米长一端封闭的的玻璃管灌满了水银，堵住开口，再倒立起来，下部放入水银槽里，然后将下端打开，这时里面的水银柱开始下降，同时上端出现一段空间，然后停了下来不动了。他量了一下水银柱的高度，是76厘米。 这就是著名的托里拆利实验，上面的空间命名为托里拆利真空。 这个实验证明了大气压的存在，是底部的大气压托住了水银柱，且大气的压强与水银的液体压强相等。也证明，有限的大气压压强只能托起跟它对应的一定高度的水银柱的压强。 那么，这里的压强分布如何呢，我们可以模拟用简单的数字说话。 1. 假定托氏的管子只有16厘米长，那么内压为76—16 2. 假如托氏换了一根66厘米长的管子，那么这个压强分布图的梯形就是上底为10，下底为10+66=76 ,高为66 。梯形细长，内压为10。 这说明，随着管子高度的增加，内压在减少。 3. 假如托氏又换了一根76厘米的管子，这时压强分布图就成了一个直角三角形，顶尖为0，底部就是76 。这时内压为零。 顶部液体与管壁之间只有两种界面之间的粘附力，对于是否浸润还说看液体性质。 4. 托氏这回换了100厘米长的管子，这时压强分布图还是一个直角三角形，底部76 ，顶尖延伸出一条直线，内压仍然为零。 顶部水银受内压为零，与管壁脱离并下降至76厘米高度。 5. 假定托氏还是用100厘米的管子灌满水银倒置在水银槽里，但是这回实验装置处在一个极高的真空环境里，那么，水银柱底部失去大气压的支撑会因为自身的重力自由下落，不受76厘米的限制，直至与水银槽的液面持平或者下陷一点点，这回上部的空间100厘米长全是托里拆利真空，它里面只存有少量的水银蒸汽。 三．再谈连通器的原理。 连通器通常是指在一个U型管里置入液体，当管子的两端液面不等高时，两液面会自动发生变化开始流动直至两液面持平高度相等。 那么连通器里不等高液面为什么会发生流动并趋向于持平，原理是什么，须要进行分析。 先从最简单的谈起。在一个上面开口，底部封闭的管子里盛水竖直并静止状态，压强分布如何？ 根据基本原理，其底部压强为内压加液体深度压强，内压为一个大气压。 如果盛水多，液体深度压强增大，但是内压还是一个大气压，所以两者相加，数值增大。 还以简单数字比喻为例，假设仅以高度数字为压强值。 假定有两根管子，长的盛水高度为180，短的盛水140 ，大气压设值为100，则底部压强分别为280和240 。 但是这是两个各自独立的管子，其内部的压强分布也是按各自计算的，它不是连通器，而连通器底部是相通的，它跟连通器有本质的不同。 要想让它成为连通器，显然必须底部相通，但是在连通的瞬间发生了什么，也必须计算。 我们可以假定一个模式，就是逆向思维，那就是连通器的前世就是两个各自独立静止但高度不同的管子，但是我们假定在它们的底部用管子连接起来，在中间加一个闸板，闸板封闭了两侧，闸板也可以抽拉，让两侧连通。我们在闸板封闭时分别向两侧灌水，就是高度分别为180和140 。 显然闸板两侧压强一边为280，一边为240 ，不相等,这跟两个独立的管子没有什么不同。 但是当我们将闸板突然抽出，让两侧相通，变成一个真正的连通器，这时发生了什么？ 根据液体在一定的深度上只能有一个特定的唯一数值的压强的原则，在一个容器里不同压强的液体相遇，会发生融合和平衡，变成同一个数值。至于是内压改变了还是重力压强改变了还有待分析，但是底部变为一个压强是必然要发生的。 根据简单数学，大小两个数字要平衡相等，只能各自增加或减少它们差值的一半。 就是说，这时管子底部两侧内压一面增高了液高差值的一半，一面减少了一半，立即变得相等。 按数字比喻，则180—140=40, 280—20=260, 那么，分析到这里，必然会产生到底是什么原因引起了液面的自动移动并趋于平衡的疑问，底部只有一个数值的压强，取液片也没有压强差为什么还会移动？ 还要从理论力学，牛顿力学开始分析，不一定非要流体力学。 从液体的受力来看，液体受到重力作用，同时受到大气压从两端以及管壁的包围，对于运动的方向来说，液体只会沿管子流动，这样对于大气压对液体的作用来说，液体两端的大气压压强是相等的，因此产生的作用力也是大小相等，方向相反的，互相抵消，合力为零。由此判断，引起液体流动的原因只能是重力。 对于液体来说，大气压对它授力是“悬浮”的，就是说这一对力系是不受刚性约束的，液体移动到哪里它也跟到哪里，同时大气压起的作用仅仅是将液体压缩得更紧密，也就是对液体只产生沿管子流动方向上作用为零的外力而已。 剩下的就是重力产生的合力，它的方向就是液体流动的方向。 促使连通器流动的外力就是两端不同高度的液面高度差体积内液体的重力。当然与管径有关，与液体的比重有关，与高度有关。 因此，重力差才是引起连通器流动的根本原因。 这样解释连通器就简单多了，因为两端重力不均衡。 当两端液面接近相等时，液面高度差变小，液体重量差也小了，驱动力小了，流通变慢。 从另一个角度来说，连通器内的液体有自动向重力势能减小的趋势，连通后重力势能下降了。 同理，真空环境下大气压不起作用，连通可以发生。（如果液体不沸腾）。 抛弃了压强差说，用重力差说来解释连通器发生的原理，可以更容易理解。 四．重点谈虹吸现象发生原理 1. 虹吸现象就是一个倒U型的管子,里面充满水，一端插入水中，另一端在容器外垂下来，如果出口低于进水端水面，进水端的水会进入管子并自动爬升上去绕过管子顶端继续流下去。 虹吸管装置其实就是一个倒置的连通器，其发生原理也跟连通器十分相似，略有不同的是这里弯管的顶端压强成了“负压”。在许多资料也许教科书里都把顶端的液片两侧的负压差作为虹吸现象能够发生的理论根据，但是在连通器的论述中已经阐明从而推定虹吸管顶端液体里也是只有一个数值的压强。 分析虹吸现象发生原理跟连通器一样，采用安置闸门的方法。顶部互相连通之前相当于各自的托里拆利真空装置，只是没有那么长。各自顶端压强都是大气压减去液体压强，得到一个内压。两个内压数值不同。当闸板抽出瞬间，两个内压平衡变为一个，各自增减变化了液面高度差压强数值的一半。 还是以数字代替字母并简化为仅以深度数字为例： 设左侧液高为10，右侧液高为80，大气压为100，两个管子顶部都封闭。 这时，左侧内压为100-10=90 |
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