虹吸原理

虹吸原理

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]

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：

h P P 1

01g ρ水-= 向左的压强：h P P 202g ρ水

-=，其中：P 0为大气压。由于h 1>h 2, 所以有P 1

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

图1 装置示意图

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

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

图2 唧筒注水部件等。[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

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。

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

的水面就小时得无影无踪，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”地势高图 3 秤漏 图4 莲花漏 图6 “鬼湖”图尔卡那