淺析坎兒井中的物理原理

何铚遠(yuǎn)

摘 要：坎兒井的原意為“井穴”，也被人們成為“井渠”，而新疆維吾爾語則稱之為“坎兒孜”，它又被當(dāng)?shù)厝嗣癯蔀椤傲止薄？矁壕切陆貐^(qū)人民的儲水工具和灌溉工具，經(jīng)過勞動人民長期地開發(fā)，如今已經(jīng)成為了干旱地區(qū)不可缺少的灌溉系統(tǒng)，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)?？矁壕兄凭玫臍v史，但直到林則徐治理新疆后才被不斷開發(fā)，形成了較為完善的灌溉系統(tǒng)，極大促進(jìn)了新疆的農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。與萬里長城、京杭大運河并稱為中國古代三大工程?？矁壕环N神奇的井渠，它造福了無數(shù)勞動人民，是當(dāng)?shù)貏趧尤嗣裰腔鄣慕Y(jié)晶，其中蘊含的物理原理更是奇妙萬分。文章從高中生的角度出發(fā)，結(jié)合自身所學(xué)相關(guān)知識，對坎兒井中的物理原理作一個淺析。

關(guān)鍵詞：坎兒井；物理原理；高中生；應(yīng)用

坎兒井一共由四個部分組成：豎井，暗渠，明渠，澇壩。表面上看來，坎兒井并沒有什么特別，但實際上，坎兒井蘊含的物理知識是非常奇妙的。首先坎兒井在建造方面分為四個部分，每一個部分都有著不一樣的功能；其次坎兒井能夠有效地利用地下水源，將地下水源引入到田地里；最后坎兒井運用的水多半為地下水，不容易被水蒸發(fā)蒸干，流量非常穩(wěn)定，給農(nóng)田的灌溉提供了充足的水源。

一、坎兒井的特點介紹

坎兒井是一種神奇的井渠，也是建筑史上的偉大杰作，坎兒井的發(fā)明使得我國西部干旱地區(qū)的人民能夠儲水和用水，并利用這些水灌溉農(nóng)作物，極大地促進(jìn)了農(nóng)牧業(yè)。要想了解坎兒井中蘊含的物理原理，首先要全面深入地了解坎兒井的特點，才能夠體會坎兒井的神奇之處，對其中蘊含的物理現(xiàn)象和原理有一個清晰明確的認(rèn)知?？偟膩碚f，坎兒井有三大特點，分別是不需要動力、蒸發(fā)量極小，水資源利用率極高、水體不易被污染，水溫較低，以下對其進(jìn)行逐一介紹：

（1）不需要動力。相對于其他井渠，坎兒井能夠節(jié)省大量的人力和物理，因為其他其它井渠大多需要各種能量，而坎兒井并不需要。這是坎兒井獨特的設(shè)計結(jié)構(gòu)決定的，坎兒井的走向從高到底，自然界的水會順著坎兒井往低處流，因此并不需要動力作為支持。這一特點使得新疆地區(qū)的人民能夠?qū)⒏嗟木Ψ旁诟N和養(yǎng)殖牲畜上，極大促進(jìn)了新疆地區(qū)農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。盡管坎兒井這種設(shè)計一開始需要花費大量的人力與物力，但從長遠(yuǎn)的角度來說，這些花費都是值得的，因為坎兒井一旦建成，人們便能夠儲存和獲得大量的水資源，增加農(nóng)作物的收成。

（2）蒸發(fā)量極小，水資源利用率極高。除了不需要動力以外，水資源利用率極高也是坎兒井的一大特點。傳統(tǒng)的井或是井渠往往是露天的，在下夏季與秋季的時候水體會受到陽光直射，蒸發(fā)量極大?？矁壕畡t位于地下，并不會遭到陽光的直射，地面起到了“隔熱”的效果。即使到了夏季和秋季，地表溫度超過四十度，地下水體的溫度也能夠保持在二十多度左右，水體的蒸發(fā)量極小，水資源的利用率極高?？矁壕@一設(shè)計也使得新疆人民能夠有效地將為數(shù)不多的水存儲起來，在干旱的季節(jié)能夠?qū)⒋鎯Φ乃喔绒r(nóng)田以及供牲口飲用。新疆屬于降水量少，平均溫度極高的干旱地區(qū)，坎兒井巧妙地利用了地下水，將水資源巧妙儲存起來，減少了水資源的浪費，極大促進(jìn)了當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。

（3）水體不易被污染，水溫較低。傳統(tǒng)的井或井渠中的水容易受到污染，因為它們的水體暴露在地面，人們往往會將生活垃圾或是廢棄物丟進(jìn)水中，造成水體污染。而坎兒井卻不容易受到污染，因為坎兒井的水面位于地下，生活垃圾或是一些污染物難以滲透到其中。這一特點使得坎兒井的井水能夠供人們與牲口飲用，也能夠在灌溉農(nóng)田方面取得良好的效果，使得新疆人民能夠更加健康的生活與工作。此外，坎兒井的水體溫度降低，水質(zhì)純凈，釀酒也是極佳，新疆人民常常將這些水存儲起來，在需要的時候使用，使自己的生活變得更加舒適與便捷。

二、坎兒井蘊含的物理原理

總結(jié)以上，坎兒井有三大特點，分別是不需要動力、蒸發(fā)量極小，水資源利用率極高、水體不易被污染，水溫較低?？矁壕邆溥@些特點，是因為新疆勞動人民了解物理現(xiàn)象，在建造坎兒井的時候巧妙地利用了物理原理，最終使坎兒井能夠極大地造福人民，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)的發(fā)展?？矁壕N含的物理原理有很多，以下選取主要三點進(jìn)行逐一介紹：

（一）木棍定向法確定水的流向

先來說木棍定向法。我們知道，一根木棍受到水流沖擊后會變向，而如果我們將木棍的一端削尖，那么尖端必定會指向水流的放向。木棍定向就用了這個原理。古人在暗渠上方打一個井，再用一根繩子垂直懸掛一根木棍在十米以下的水中，這時，水流會沖擊木棍促使其變向，然后再在不遠(yuǎn)處垂下一根木棍。這兩根木棍會偏向不同方向，而兩根木棍的相交點，就是地下暗河的轉(zhuǎn)折點。這樣，也就在陸地上確定了地下暗河的走勢，為后來挖掘奠定了基礎(chǔ)。

（二）光延直線傳播

除了木棍定向法以外還有一種定向方法，是為在地下挖通道的工人們準(zhǔn)備的，那就是油燈定向法。這一個方法解決了地下工人在挖掘時很難按照直線的問題，它運用了一個十分簡單的物理道理：光延直線傳播。工人在挖掘時會在身后掛一盞油燈，這個時候，因為光沿直線傳播，地上會形成一個影子。從理論上將，如果一個人是按照直線前進(jìn)，那么影子也就必定會指向不變的一個方向，也就自然而然得解決了挖暗渠時，容易挖彎曲的問題。

（三）連通器原理

整個坎兒井利用的是連通器原理。因為外界大氣壓相同，再加上暗渠中水深基本相同，那么，整個坎兒井就形成了一個長達(dá)千米的連通器。新疆地區(qū)有較多的高山，高山常年積雪，在氣候變暖時雪山上的水會溶化滲透到地下。這是坎兒井的作用就體現(xiàn)出來了，坎兒井能夠引導(dǎo)地下水的流向，雪山上的水也因此順著坎兒井的方向流向更低的地區(qū)，起到了灌溉的作用。

綜上所述，坎兒井一種神奇的井渠，它造福了無數(shù)勞動人民，是當(dāng)?shù)貏趧尤嗣裰腔鄣慕Y(jié)晶，其中蘊含的物理原理更是奇妙萬分。坎兒井極具特色，能夠有效地存儲水資源，引導(dǎo)溶化的水流向低處，防止水體污染，使這些水既能夠灌溉農(nóng)田也能夠供人畜飲用。坎兒井利用了光延直線傳播、連通器原理等物理原理，能夠有效地造福當(dāng)?shù)厝嗣?，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。

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