虹吸原理说明

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]

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：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

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图1 装置示意图

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。

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

图2 唧筒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]

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]

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]

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] 图 3 秤漏 图4 莲花漏

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] 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，图6 “鬼湖”图尔卡那图7 马桶