简析虹吸现象 虹吸现象原理

简析虹吸现象 虹吸现象原理

你知道虹吸现象吗?容器中的水可以自动通过高于容器水面的弯管流出,就好象有什么东西将水从容器中"吸"出来一样(见左下图)。


为什么水会自动流过高高的弯管呢?原来,这是由于压强差在起作用。当弯管两侧中同一液面的压强不同时,管中的水(或其它液体)就会向着压强较小的一侧流动。右上图就是说明这个压强差如何使水流动的原理图。

要能够产生虹吸现象,弯管的水流出端必需比水进入端低。设进水端的水平面为A,出水端的水平面为B,向上作用在两个水平面上的大气压值都是P0,但右边管内在A面以下还有一段长h的水柱,所以,在右管中与A同一面上的压强P=P0+ρgh,即Po<P,就会引起管中水柱向右管流动,最终由B端流出。由此可以给虹吸现象下一个定义:由于连通器的两端液位的高度差产生的压强差,引起液体自行流动的现象称为虹吸现象。

仔细分析虹吸的原理图还可知道,事先要让弯管中充满水,并且整个弯管内部不能进入空气,否则,内部空气的压强会改变两端压强差的关系,就不能发生虹吸现象了。

我们先来做一个实验:取一金属罐头筒,去掉上盖,在底面打一圆孔,塞入中间有孔的胶塞,孔中插入一根两端开口的直径15-20毫米的玻璃管,如图所示。玻璃管在筒内高度为筒高的5/6。再取一只直径30-40毫米的大试管(略高于玻璃管在筒内的高度),口朝下套在玻璃管上。设法将试管垫高(可用粘在筒底的三个塑料块垫高试管,而不能堵死试管口),将胶塞与筒底之间,胶塞与玻璃管之间用熔化的石蜡加封。

现在开始向罐头筒内加水,当水还没有超过A线时,下端的管口不会有水流出,但当再加水少许,一旦超过B线,筒内的水便会几乎全部流出。其实,玻管加套大试管的目的,就等于是制作了一个弯管,等效于下左图的装置,当容器中的水位超过B线,水就从下端关口流出,直到水位降低到A线以下,水才停止流出。

虹吸现象在生产和生活中有许多巧妙的应用,比如,公厕中的便池应当定时用水冲洗,需要无人值守,但又不能让水无节制地哗哗直流,就可利用虹吸原理设计一种自动装置(右图),调节放水阀门,让水细细地流进下面的容器,当容器中的水面超过弯管顶部时,弯管中便充满了水,下端放水口就有水流出冲洗便池,容器中水面不断下降,但只要没有低于弯管的上端口,水就会继续流出,直到上端口露出水面,水流就会停止,这段时间就是虹吸的作用。调节弯管上端口的高度,可以改变每次冲洗的出水量;调节放水阀门放水量的大小,可以改变两次冲洗的时间间隔。
现代的抽水马桶也常常利用了虹吸原理,以便产生更大的吸力将便池内的污物派出。

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。唧筒是战争中一种守城必备的灭火器。宋代苏轼《东坡志林》卷四中,记载了四川盐井中用唧筒把盐水吸到地面。其书载:以竹为筒,“无底而窍其上,悬熟皮数寸,出入水中,气自呼吸而启闭之,一筒致水数斗。“明代的《种树书》中也讲到用唧筒激水来浇灌树苗的方法。

下面再分析两个虹吸现象的实验:

1. 毛细管产生虹吸现象。

截取一段棉纱鞋带的中段,将其两端剪齐后浸在盛有清水的玻璃杯中。鞋带的两端留在杯外,自由下垂,使A端与杯内水面相平(或稍高),B端比杯内水面略低1~2厘米,注意观察A、B端会有什么现象。

观察到的现象是:B端水滴得比A端快

2. 虹吸喷泉。

取一个玻璃瓶(或一个旧灯泡)和一个有双孔的橡皮塞子。在一个孔中插上带喷口的玻璃管,插入瓶中一半左右,在外面露出约2厘米。在另一孔中插入一根短玻璃管,里面的一端与瓶塞平。在有喷口的玻璃管上接一段长20厘米的皮管。在另一玻璃管上接一段三米长的皮管。在瓶中倒一些水,将塞子塞紧.将短皮管放入桌上盛有水的容器中,将长皮管放入地上的一桶水中。将虹吸器倒置(见图)。

  

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