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虹吸原理说明

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虹吸原理现象说明
摘 要：本文论述了虹吸现象的基本原理，并根据实验及公式推导具体阐述了其原理。本位主要介绍了虹吸的悠久历史以及其在古、现代的应用。虹吸现象在古代的主要应用从最早的渴乌，到后来的唧筒、秤漏、莲花漏都是虹吸原理的典型应用；虹吸原理在现代社会也应用于各行各业:“鬼湖”的形成就是虹吸原理的“杰作”，还有马桶、虹吸滤池、虹吸式屋面排水系统、洗胃、虹吸式咖啡壶等等都是虹吸原理制成的。
关 键 词：虹吸；唧筒；秤漏；莲花漏；虹吸滤池
1、引言
虹吸是一种历史悠久的物理现象，同时它也是人们在生活中最常见的物理现象之一。虹吸现象不仅在古代有很丰富的应用，它在现代生活中也有很广泛的应用。大家生活中的很多事情都是靠虹吸原理来实现的，例如：给鱼缸换水；汽车司机常用虹吸管从油桶中吸出汽油或柴油；在古代利用虹吸原理还可以做成计时工具；虹吸原理还可以应用于水处理，如虹吸滤池等等。
2、原理
2.1 虹吸原理
虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成的，即利用水柱压力差，使水上升后再流到低处。由于管口水面承受不同的大气压力，水会由压力大的一边流向压力小的一边，直到两边的大气压力相等，容器内的水面变成相同的高度，水就会停止流动。利用虹吸现象很快就可将容器内的水抽出。[1]
图1 装置示意图
2.2 实验解释
用图1所示的装置来说明这种现象的原理,当充满水的管子将A、B两个液面高度不同水槽连接后, C处受到向右的压强为：

向左的压强：，其中：为大气压。由于>, 所以有<。则液片C将向左移动, 即容器B中的水向容器A中流淌。只要B中的液面高于A中的液面,水就会流动不停,直到两容器中的液面相平,即B中的水流完为止。[2]
2.4虹吸原理的历史
虹吸管是人类的一种古老发明，早再公元前1世纪，就有人造出了一种奇特的虹吸管。中国人很早就懂得应用虹吸原理。应用虹吸原理制造的虹吸管，在中国古代称“注子”、“偏提”、“渴乌”或“过山龙”。东汉末年出现了灌溉用的渴乌。西南地区的少数民族用一根去节弯曲的长竹管饮酒，也是应用了虹吸的物理现象。宋朝曾公亮《武经总要》中，有用竹筒制作虹吸管把峻岭阻隔的泉水引下山的记载。中国古代还应用虹吸原理制作了唧筒。宋代苏轼记载了四川盐井中用唧筒把盐水吸到地面。明代的《种树书》中也讲到用唧筒来浇灌树苗的方法[1]
3、应用
3.1虹吸原理在古代的应用
图2 唧筒
虹吸是一种古老的现象，虹吸在古代的应用很广泛，可以说是应用在各种方面：虹吸可以用于农业灌溉，战争灭火，儿童玩具，也可以是用于计时的工具等。
3.1.1渴乌
中国古代的虹吸管。据《后汉书·张让传》记载,东汉中平三年(186)掖庭令毕岚“作翻车、渴乌,施于桥西，用洒南北郊路”，是渴乌的最早记载。唐李贤在对《张让传》进行注释时,用“以气引水上也”,说明渴乌依靠气压差引水的工作原理，当然其前提条件是进口端的高程高于出口端。唐杜佑所著《通典》载，渴乌可以“隔山取水”。方法是以大竹筒套接成弯管,以麻漆封裹,密不透气，跨过山峦，将临水一端置于水面之下五尺，然后在出口端放松桦枝叶和干草等易燃物，点燃后，稍冷，筒内形成相对真空，即可吸水而上。明清人又称为过山龙，也用以由缸内取酒。小型渴乌也用作刻漏的注水部件等。[3]
3.1.2唧筒
如图2所示就是中国古代应用虹吸原理制作的唧筒。唧筒是战争中一种守城必备的灭火器。唧筒也是儿童游戏用的水枪。北宋王延德叙其所见当地居民风俗，如：“以银或输(黄铜)为筒，贮水，激以相射，或以水交泼为戏，谓之压阳气，去病”。[4]
3.1.3秤漏
图3 秤漏
图3所示的就是秤漏，秤漏是一种特殊类型的漏刻，是用中国秤称量流入受水壶中水的重量来进行计时的仪器。它有一只供水壶，通过一根虹吸管（即古代的渴乌）将水引到一只受水壶（称为权器）中。权器悬挂在秤杆的一端，秤杆的另一端则挂有平衡锤。当流入权器中的水为一升时，重量为一斤，时间为一刻。其以供水壶流出的水的重量作为计时标准，以秤杆作为显时系统是秤漏的巧妙之处，且据测定秤漏的日误差不大于1分钟。 [5]
3.1.4莲花漏
图4 莲花漏
如图4所示的就是。它是由一个受水壶，再用两根叫“渴乌”的细管，利用虹吸原理，把放水壶中的水，逐步放到受水壶中，使受水。壶中水平面高度保持恒定。相等时间内受水壶的水流速度恒定，据以测定时间。莲花漏实物已不存在。东林寺晋僧慧安，在庐山的莲花漏计时。于泉水上立十二叶芙蓉，因波水转，分定十二时。[6]
3.2在现代生活中的应用
虹吸原理不仅在古代多方面的应用，在现代生活中虹吸原理也有很重要的应用：非洲的“鬼湖”图尔卡那湖，现代生活中人人都离不开马桶，用于水处理的虹吸滤池，用于雨水收集的虹吸屋面排水系统，用于医疗的洗胃等等。
图6 “鬼湖”图尔卡那胡
3.2.1鬼湖
图6所示的就是鬼湖。在非洲肯尼亚北部，有一望不尽的沙漠，沙漠上有一个奇怪的湖泊，时隐时现，被人们成为“鬼湖”，这就是非洲著名的图尔卡纳湖，又名碧玉湖。当人们来到湖畔，之间碧波荡漾，清澈照人，可是不一会辽阔的水面就消失得无影无踪，成为一片茫茫沙漠。制造“鬼湖”的原因是由于在“鬼湖”附近可能有一个比“鬼湖”地势高的地下空洞，贮存着由别处渗流而来的地下水，并有一个类似虹吸泉那样的地下坑道将“鬼湖”同地下空洞连接在一起。当虹吸现图7 马桶
象出现时，地下空洞里的水大量流出，便出现“鬼湖”，而由于“鬼湖”地处沙漠之上，即使水量再大，也会不消多大功夫就流到沙层下面或者渗流到别处去了。[7]
3.2.2马桶
图7所示的就是虹吸式马桶。
虹吸式马桶的原理：虹吸式座便器的结构是排水管道呈“∽”型，在排水管道充满水后会产生一定的水位差，借冲洗水在便器内的排污管内产生的吸力将便便排走，由于虹吸式座便器冲排是不是借助水流冲力，所以池内存水面较大，冲水噪音较小。[8]
图8 虹吸滤池
3.2.3虹吸滤池
图8所示的就是虹吸滤池
虹吸滤池的工作原理：虹吸滤池它用抽真空来形成虹吸,以连通水流,用进空气来破坏虹吸,以切断水流。[9]
图9 虹吸式屋面排水系统
在过滤过程中,每格滤池中的水位随着滤料阻力的增大而升高,以保持等速过滤。当运行到一定时间后,滤池就需要反洗,反洗时,首先破坏其进水的虹吸现象,使水不再进入该格滤池,当水位下降显著缓慢时,用真空系统形成反洗虹吸,反洗作业开始。当反洗排出水较清时,立即破坏反洗虹吸,停止反洗,随即启动进水虹吸管,投入运行。[9]
3.2.4虹吸式屋面排水系统
图9所示的就是虹吸式屋面排水系统
虹吸式屋面排水系统的工作原理：虹吸式屋面雨水排除系统是在一相流状态下满管流运行的。系统的工作原理符合水流运动的能量守恒及其转化定律。连接管内的压力可能是正压也可能是负压。随着悬吊管的延伸管内负压值增大, 至悬吊管与立管的转折处负压值最大, 随立管的下降负压值减小, 至立管的某点压力值为零, 其后压力值为正压并逐渐增大再逐渐减小, 从而系统在虹吸水力作用下工作。[10]
图10 洗胃
3.2.5洗胃
图10所示的就是洗胃过程
洗胃是指将胃管由口腔或鼻腔经食管插入胃内，利用重力和虹吸作用的原理用大量的溶液对胃腔进行冲洗的方法。多用于误服或自服有害物质的病人。[11]
胃管虹吸法是医生给食物中毒病人洗胃常用的方法,操作方便。利用虹吸法给病人胸腔、腹腔穿刺放液,省时省力,相对于常规注射器抽吸法有一定的优势。[12]
图11 虹吸式咖啡壶
3.2.6虹吸式咖啡壶
图11所示的就是虹吸式咖啡壶
煮咖啡时，下壶的水沸腾产生水蒸气将水压至上座，煮好后关火温度下降，咖啡再被吸到下座。[13]
4、结论
本文先阐述了虹吸现象的基本原理，用科学实验推导并进一步解释了虹吸现象发生的原理，并说明了虹吸现象发生必须满足的条件。对虹吸原理在古代的应用如：最原始的渴乌，用于战争灭火或儿童玩具的唧筒，在为计时工具的秤漏和莲花漏都是虹吸原理的典型应用；对虹吸原理在现代的应用如：发生在大自然中的“虹吸现象”---非洲“鬼湖”图尔卡那湖，现代生活家家都离不开的马桶，给水处理中的虹吸滤池，用于雨水收集的虹吸式屋面排水系统，用于医疗的洗胃，用于人们饮食方面的虹吸式咖啡壶等等都是虹吸原理制成的。从以上例子来看，虹吸原理不仅历史悠久，在古代和现代都有很重要、种类很多的应用，相信在科学技术的发展下，虹吸原理会应用的更广泛，给人们的生活带来更多的便利。
5、参考文献
[1]
[2] 邰宝生.浅析虹吸原理.生活物理
[3]
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[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9] 刘小明,杨雪松.虹吸滤池的技术改造[J].2001
[10] 韩增文.虹吸式屋面排水系统的设计[J].四川建材.2007
[11]
[12] 谢恩东.神奇的虹吸.Physics Today 2006
[13]

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