雙體希羅噴泉

姚睿

研究背景

希羅噴泉是古代歐洲科學(xué)家希羅發(fā)明的。它的結(jié)構(gòu)巧妙，趣味十足。希羅噴泉的工作原理是在密封的容器里，利用水流位置落差下行到容器底部，水體對(duì)底部容器內(nèi)的空氣進(jìn)行擠壓形成壓縮空氣，壓縮空氣再將儲(chǔ)水器里的水體擠壓噴向高處形成噴泉，這種“自壓自噴”噴泉現(xiàn)象給人一種神秘悅目的感覺。

平常我們能見到或動(dòng)手仿制成的多數(shù)是單體希羅噴泉，尤其是以塑料瓶做成的柱狀希羅噴泉居多（如圖1所示）。

可是，你們發(fā)現(xiàn)了沒有？單體希羅噴泉工作結(jié)束后，需要將模型進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，利用大氣壓和水體自身重力實(shí)現(xiàn)水體高低位置換，這樣需要一定時(shí)間才能啟動(dòng)下一輪的噴水，這會(huì)讓心急的小伙伴們等得不耐煩，希羅噴泉的趣味性因此而大打折扣。

不但如此，該類希羅噴泉的內(nèi)部氣壓穩(wěn)定性較差，剛開始噴水時(shí)，水柱揚(yáng)程高度還是很高的，可沒過多久，水柱高度就慢慢地變矮變短了。是什么原因造成這樣的現(xiàn)象呢？

原來噴泉水柱的揚(yáng)程高度跟其內(nèi)部氣壓強(qiáng)度有關(guān)。剛開始流水注入時(shí)水位落差最大，水壓最大，此時(shí)氣壓最大，水柱也最高；待到底部容器水位上升，其水位落差就縮短，水壓就會(huì)減弱，容器內(nèi)的氣壓也跟著減弱，從而影響到水柱噴射高度（如圖2所示）。

為了解決換水不便和氣壓強(qiáng)度不穩(wěn)等問題，有人改造出了分體式希羅噴泉（見圖3）。

然而，目前可以在網(wǎng)上查找到的分體式希羅噴泉仍然存在著不盡人意的地方：首先是為了調(diào)節(jié)水位高度落差而需做成管道外置，這就使得分體式希羅噴泉結(jié)構(gòu)過于松散；其次是需要輔助支架，造成了體積龐大，攜帶與操作均不便等問題。

我認(rèn)為，一款輕盈、簡(jiǎn)潔，且能克服換水不便、保持噴射穩(wěn)定的希羅噴泉模型更能吸引人們的興趣。

為了達(dá)到上述目標(biāo)，有針對(duì)性地對(duì)單體希羅噴泉進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析應(yīng)該是改造努力方向。

改造的方法及過程

先從單體希羅噴泉構(gòu)成人手，在原有基礎(chǔ)上增加一組聯(lián)體噴泉，合并成一款雙體反向連接的希羅噴泉。雙體希羅噴泉由兩組個(gè)體相同但方向相反的結(jié)構(gòu)組成，這樣的目的是使其中的一組A在做噴水動(dòng)作的同時(shí)，另一組B會(huì)同時(shí)做換水動(dòng)作；待A組噴水結(jié)束，我們只要將雙體希羅噴泉模型“翻個(gè)跟頭”，B組就立即處于工作狀態(tài)，此時(shí)只要往接水瓶中添加少許水，噴泉就會(huì)再次啟動(dòng)，我們就又能看到美麗的噴泉了！而這時(shí)，剛完成噴水工作的A組正處于換水狀態(tài)，等待著下一輪的噴水，縮短了轉(zhuǎn)換時(shí)間。

在不改變噴泉現(xiàn)有高度的情況下，將水容器的形狀由“柱狀”改成“扁狀”，這樣的目的是使上方的流水行至底部時(shí)，水位落差幅度變化不大，有助于保持高水壓，高水壓能維持對(duì)密封空氣壓縮，使其產(chǎn)生的高氣壓持續(xù)將儲(chǔ)水噴向高處。雙體希羅噴泉的結(jié)構(gòu)見圖4。

為了證實(shí)改成扁狀后的噴泉能保持穩(wěn)定的高壓，在教師的協(xié)助下，我對(duì)單體和雙體噴泉實(shí)行兩組實(shí)時(shí)全程錄像。從啟動(dòng)到結(jié)束，我們從回放錄像中用隨機(jī)截圖方式采集了各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)與噴泉高度等要素進(jìn)行比對(duì)分析，形成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)參數(shù)通過Excel輔助分析形成曲線圖表。

測(cè)試結(jié)果描述與分析

單體柱狀希羅噴泉在啟動(dòng)之時(shí)的有效水位落差高度最大，形成的氣壓最足，在短時(shí)間內(nèi)能迅速形成內(nèi)部高氣壓，噴泉揚(yáng)程達(dá)到了最高位；然而隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，底部容器水位上升，水位有效落差縮小，氣壓變?nèi)?，噴泉揚(yáng)程狀態(tài)漸漸出現(xiàn)萎縮，直至消失。

改造后的雙體噴泉自啟動(dòng)之時(shí)起，噴泉揚(yáng)程能迅速達(dá)到高位狀態(tài)，受容器扁平形狀影響，水位有效落差幅度變化較小，密封容器內(nèi)的氣壓變化也小，反映噴泉揚(yáng)程高度的曲線始終維持著穩(wěn)定平緩的狀態(tài)，說明其內(nèi)部容器保持著穩(wěn)定的高氣壓，并能夠維持到噴泉結(jié)束的那一刻。

改進(jìn)后的雙體希羅噴泉結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，通體透明直觀，便于演示，便于攜帶，達(dá)到了原設(shè)想的改造要求。它美麗而穩(wěn)定的噴水現(xiàn)象引人入勝，自動(dòng)切換功能更是增加了它的神秘魅力。

該項(xiàng)目獲得第30屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目小學(xué)組技術(shù)與設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語

選題來自兒童生活，有較正規(guī)的查新報(bào)告，作者對(duì)平常見到并動(dòng)手仿制的“單體希羅噴泉趣味玩具”進(jìn)行了一種新的設(shè)計(jì)，制作了新型的雙體噴泉裝置。技術(shù)設(shè)計(jì)方案較具體，原理清楚，效果良好，表現(xiàn)出一定的創(chuàng)新性，申請(qǐng)資料齊備。建議進(jìn)一步驗(yàn)證雙體噴泉的效果。