活用流體壓強(qiáng),巧解生活難題

李 峰 陳 莉

(蕭縣中學(xué),安徽 宿州 235200)

丹尼爾·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”,這是水力學(xué)所采用的基本原理,其實(shí)質(zhì)是流體的機(jī)械能守恒,即“動(dòng)能+重力勢能+壓力勢能=常數(shù)”．其最為著名的推論為“流體等高流動(dòng)時(shí),流速大,壓強(qiáng)就小”．以下是我們利用伯努利原理做的3個(gè)設(shè)計(jì)．

1 農(nóng)村安全地窖

生活中的流體壓強(qiáng)實(shí)例很多,比如犬鼠的洞穴有兩個(gè)出口,一個(gè)是平的,而另一個(gè)則是隆起的土堆,兩個(gè)洞口的形狀不同,決定了洞穴中有空氣流動(dòng)(圖1)．當(dāng)風(fēng)吹過平坦表面時(shí),流速小、壓強(qiáng)大;而吹過隆起表面時(shí),流速大、壓強(qiáng)?。虼?在地面上的空氣壓強(qiáng)的作用下,風(fēng)會(huì)吹進(jìn)犬鼠的洞穴,給犬鼠帶去習(xí)習(xí)涼風(fēng)．我們也可以仿照老鼠的倉儲(chǔ)方式,設(shè)計(jì)一個(gè)安全高效的地窖,利用流體壓強(qiáng)解決農(nóng)村地窖通風(fēng)與保溫的問題．

圖1

農(nóng)村地窖的主要功能是存儲(chǔ)糧食,由于蔬菜的腐爛及長期不通風(fēng),地窖內(nèi)有毒氣體濃度較大,氧氣含量嚴(yán)重不足,有時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的人員傷亡事故．我們?cè)O(shè)計(jì)的地窖自動(dòng)換氣及保溫裝置如圖2.

圖2

(1) 地窖換氣主要借助煙囪裝置,其原理是:當(dāng)煙囪上方刮風(fēng)時(shí),上方空氣流速大,壓強(qiáng)小,大氣壓會(huì)把地窖底部的廢氣壓上去,從而抽出廢氣．煙囪上部用彈簧固定一個(gè)倒放的機(jī)翼(圖3),其作用有以下3點(diǎn): 一是防雨,二是加大空氣流速,三是利用風(fēng)速過大,機(jī)翼在流體壓強(qiáng)作用下,壓迫彈簧向下移動(dòng),帶動(dòng)封氣閥封閉氣體通道,從而保證凜冽寒風(fēng)不會(huì)大量進(jìn)入地窖,有效地防止了因窖內(nèi)溫度降低過快而使得農(nóng)產(chǎn)品凍壞的發(fā)生．

(2) 地窖保溫裝置主要是采取在乳膠膜內(nèi)封閉一定量的水的方法(圖4),水在4℃時(shí)密度最大,體積最?。?dāng)通氣道打開,廢氣被排出窖外時(shí),水溫會(huì)降低,當(dāng)水溫達(dá)到0℃時(shí),水便會(huì)結(jié)冰,體積明顯變大,從而使得乳膠膜封住排氣口,隔絕地窖外的冷空氣,以達(dá)到保溫的目的．

圖3

圖4

2 防爆燈桿

由于城市擴(kuò)張,居民增多,大量的生活垃圾進(jìn)入城市下水道,在管道彎道部分容易聚集發(fā)酵,產(chǎn)生沼氣,當(dāng)沼氣含量達(dá)到爆炸濃度極限范圍時(shí),一旦遇到明火就容易產(chǎn)生爆炸．特別是過年期間,有的孩子往下水道扔鞭炮,引起爆炸,損壞各種輸氣輸電管道,甚至造成人員傷亡．為解決下水道沼氣的排放問題,同樣可利用伯努利原理,下水道附近一般有路燈或電線桿,燈桿都是中空的,只要用管道接通下水道的沼氣,當(dāng)刮風(fēng)時(shí),頂端的空氣流速大,壓強(qiáng)小,而下水道內(nèi)空氣流速小,壓強(qiáng)大,這個(gè)壓強(qiáng)差會(huì)把污濁沼氣排出，如圖5.

(1) 我們?cè)O(shè)計(jì)的自動(dòng)排氣系統(tǒng)上端有曲面開口,當(dāng)風(fēng)吹過曲面開口時(shí),由于集風(fēng)器的作用,人為加大路燈桿出口的流速,增大上下口壓力差,更利于排氣．

(2) 風(fēng)向標(biāo)后端有集風(fēng)器,風(fēng)向標(biāo)可隨風(fēng)向調(diào)節(jié)角度(圖6),保證集風(fēng)器的開口正好對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向,保證集風(fēng)器能加大風(fēng)速,有效排出沼氣．

圖5

圖6

3 集便器儲(chǔ)污罐

高鐵上的坐便器采取真空集便器,通過渦輪泵旋轉(zhuǎn)形成真空,把排便器里的污物“吸”到泵中,經(jīng)過壓力排放到儲(chǔ)污罐儲(chǔ)存起來,到站后集中抽走,但是儲(chǔ)污罐由于容積有限,有時(shí)會(huì)造成列車未到終點(diǎn)就集滿污物,從而影響列車廁所的正常使用．我們?cè)O(shè)計(jì)的污水處理系統(tǒng),是利用電流加熱儲(chǔ)物罐,污物進(jìn)入蒸餾室,蒸汽進(jìn)入冷凝室液化為水,重復(fù)利用,固體污物進(jìn)入高溫室進(jìn)行無害化處理,然后進(jìn)入風(fēng)干室自然風(fēng)干,最后進(jìn)行壓縮收集．原理如圖7所示，實(shí)物圖如圖8所示.

圖7

圖8

針對(duì)廢氣排出的問題,為了保證廢氣不在人流量大的城市及車站排出,我們利用伯努利原理設(shè)計(jì)了自動(dòng)排氣裝置,排氣閥形狀為外凸內(nèi)平,內(nèi)有橡膠墊,由彈簧拉緊,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到200km/h,凸起一側(cè)空氣流速大,壓強(qiáng)小,超過彈簧彈力,排氣閥自動(dòng)開啟,排出廢氣．

這是我們利用伯努利原理巧解生活難題的3個(gè)實(shí)例,伯努利原理在生活中的應(yīng)用還有很多,只要我們認(rèn)真思考,用于探索,就一定能找到更好的應(yīng)用,體會(huì)到科學(xué)的魅力．