做液體壓強實驗，學趣味物理知識

□文/南京市玄武高級中學 張軍

1648年，帕斯卡做了一個著名的實驗。他在一個桶里裝滿水，密閉起來，在桶蓋上插入一根細長的管子，并將接口處密封。然后，他從樓房陽臺向細管子里灌了幾杯水，結(jié)果不可思議的事情發(fā)生了——桶被壓裂了！小小的幾杯水居然毀了一個桶？今天，我們便動手“玩”水，體驗一下液體內(nèi)部的壓強。

靜態(tài)的水，深度越深，壓強越大

戴上一次性塑料薄膜手套，把手伸入水中，會立即感受到手套緊緊地貼在手上（圖1），這是因為水的內(nèi)部存在壓強。游泳時，如果潛水深一些，就會感覺胸悶，甚至肋骨疼痛，這是因為在同種液體內(nèi)部，深度越深，液體的壓強就越大。如果在飲料瓶側(cè)壁不同高度扎幾個小孔，瓶里的水就會噴出來，而最下面的小孔噴出的水流最急（圖2）。

圖1

圖2

借助壓強計，我們能直觀地看到壓強大小的變化（圖3）。壓強計主要由4部分構(gòu)成，蒙上彈性膜的探頭、兩端開口的U形管、連接探頭和U形管的橡皮管、用來控制探頭上橡皮膜朝向的皮帶傳動裝置。U形管內(nèi)注入一定量的水，探頭、橡皮管與水面之間形成一個密閉空間。當探頭的彈性膜受壓時，U形管兩側(cè)液面就會出現(xiàn)高度差；受到的壓強越大，液面高度差就越大。這樣，就把看不見的“壓強大小”轉(zhuǎn)換成了可視的“液面高度差”。

圖3

隨著探頭在水中的深度增大，很容易看到U形管兩側(cè)液面高度差也變大；在同一深度，改變彈性膜的朝向，發(fā)現(xiàn)U形管兩側(cè)液面高度差不變；如果放在鹽水中，同一深度時，U形管兩側(cè)液面高度差會更大。這樣，我們就可以總結(jié)出靜止液體內(nèi)部的壓強特點：同種液體內(nèi)部，深度越深，壓強越大；深度相同時，密度越大，壓強越大；同種液體的同一深度，向各個方向的壓強相等。

帕斯卡做“裂桶實驗”時，桶與上面的細管子組成了一個容器。雖然管子很細，容積較小，但是桶在液面下的深度很深，受到的壓強便很大了，水對桶產(chǎn)生的壓力遠遠大于水自身的重力。

這就給了我們一個啟發(fā)，如果家中的洗碗池被菜渣堵住，我們就可以采用帕斯卡的方法，將一根細管子插入池孔，然后往管中注水，水池很快就通了。

正因如此，水壩底部要做得寬一些，讓其更堅固，來抵擋深水處的壓強。水中摻雜泥沙后，密度更大，相同深度處產(chǎn)生的壓強也更大。在汛期時，防洪部門要持續(xù)監(jiān)控水位，并做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。土做的堤壩，在水壓較大或浸泡時間較長時，水會進入壩體內(nèi)，導致壩體松軟、強度下降，還會有水滲漏，造成“管涌”現(xiàn)象，乃至決堤、潰壩。用混凝土建造大壩，強度要高出許多。像三峽大壩這樣的超級工程（圖4），除了靠增加寬度來增加強度，還要考慮到建筑材料、建造工藝、溫度變化、水流沖刷、地基承受能力、泄洪朝向等多重因素，盡可能地延長壩體壽命。

圖4 供圖/視覺中國

自由潛水是水下極限運動，由于沒有攜帶氧氣瓶等輔助水下呼吸設(shè)備，人的身體和精神會面臨多重危險和挑戰(zhàn)（圖5）。比如，水深超過一定限度，耳膜可能被擠破；水壓會讓血液滯留在心臟和大腦，難以流向身體；肺縮小，難以進行氣體交換；血液如果擠進肺部，還會造成長期創(chuàng)傷；心率也會降到每分鐘20次以下。從深水中上升時同樣危險，尤其是接近水面時，毛細血管開始舒張，血液從大腦流向身體各處，會導致大腦缺氧，人很容易暈厥。法國潛水員曾創(chuàng)造113米的自由潛水紀錄，可以說在生死之間走了一遭。

圖5 供圖/視覺中國

即使是鋼鐵做的潛水艇，一般也只能在水下小于600米的深度活動；如果想潛得更深，就必須采用耐高壓材料和先進技術(shù)，否則潛水艇有被水壓成一塊鋼板的危險。在水下700米的深度，甚至玻璃都會被壓成粉末。

連通器原理

如果兩個容器底部相通，裝上同種液體且保持靜止時，兩個容器中的液面一定是相平的，這就是連通器原理。生活中的連通器有很多，比如U形管、過路涵洞等。船閘也是連通器，便于船只在水位不同的上下游間通行。

輪船過閘的基本原理如圖6。上游和下游之間用兩堵“墻”隔斷，兩堵“墻”之間形成一個叫“閘室”的“容器”?！皦w”的上部有工作閘門，底端有輸水閥門。當船從上游駛往下游時，上游引航道與閘室之間的輸水閥門打開，上游的水通過輸水系統(tǒng)灌進閘室，直到閘室水面上升到與上游水位相平。這時，上面的工作閘門打開，船由上游引航道進入閘室，再將工作閘門和輸水閥門關(guān)閉。接著，閘室與下游引航道之間的輸水閥門打開，閘室內(nèi)的水通過輸水系統(tǒng)流入下游引航道，水位下降，直到與下游水位相平。然后，工作閘門打開，船進入下游引航道。如果船只從下游駛往上游，程序則相反。

圖6

密閉液體對壓強的傳遞

帕斯卡在1653年發(fā)現(xiàn)了一個規(guī)律，密閉的液體可以大小不變地向各個方向傳遞壓強。如圖7，密閉容器內(nèi)裝有液體，在活塞上施力可以給液體加壓。在截面積為S1的小活塞上施力F1，就會產(chǎn)生大小等于F1/S1的壓強。這個壓強被大小不變地傳遞到大活塞S2，從而產(chǎn)生大小為F2的向上的壓力。S2是S1的多少倍，F(xiàn)2就是F1的多少倍。水壓機、液壓傳動裝置、液壓制動裝置等都利用了帕斯卡定律，我們常見的液壓千斤頂也用到了這個原理（圖8）。

圖7

圖8 供圖/視覺中國

我們可以用兩個注射器、一根橡膠管來模擬液壓機或液壓傳動裝置。

在橡膠管內(nèi)注滿水，然后將橡膠管兩端分別與兩個注射器的乳頭相連接，組成一個密閉系統(tǒng)。向內(nèi)推動一個注射器的活塞壓縮水，水就會大小不變地將壓強傳遞到另一個注射器的活塞，從而推動這個活塞?？梢杂盟衅鹬匚铮▓D9），也可以用于擠壓物體、帶動機械裝置等。

圖9

找個飲料瓶，在蓋子上鉆孔，剛好可以讓注射器的乳頭插進去。在瓶里灌滿水，擰好蓋子，然后將注射器里的水從蓋子上的小孔注射進去，要用力，盡量把水往瓶子里壓（圖10）。這時，壓強會傳遞到塑料瓶的內(nèi)壁，并導致瓶子形變，向外膨脹。把注射器猛地拔出來，飲料瓶會迅速恢復(fù)原狀，對瓶內(nèi)水施壓，水會噴射而出（圖11）！

圖10

圖11

當液體流動起來又會發(fā)生什么

如果液體流動起來，壓強會有新的規(guī)律嗎？

1726年，丹尼爾·伯努利經(jīng)過多次實驗提出了伯努利原理，在穩(wěn)定流動的流體中，流速越大的地方，物體與流體接觸面的界面上的壓強就會越小。氣體和液體都屬于流體，這個規(guī)律都適用。1912年，一場著名的海難讓人們對伯努利原理的關(guān)注度驟升。這年的9月20日，45000噸的“奧林匹克”號郵輪正在駛往紐約的海面上，不遠處，7350噸的“豪克”號巡洋艦在并排行駛。當兩船靠得近一些時，“豪克”號突然不聽舵手的操縱，沖向了“奧林匹克”號。最終，“豪克”號的船頭將“奧林匹克”號的船舷撞出了一個大洞，釀成重大海難事故。

今天我們不難理解，兩艘船平行前進時，兩船之間的水比外側(cè)流得快，導致壓強比外側(cè)小。在外側(cè)水壓力的“撮合”下，兩船被逼“激情相擁”。“豪克”號的質(zhì)量小，慣性小，運動狀態(tài)更容易改變，所以以更大的速度貼向“奧林匹克”號。后來，人們把并排行駛的船會“自動”靠近的現(xiàn)象也稱為“船吸現(xiàn)象”。

在家也可以模擬“船吸現(xiàn)象”。將兩只玩具小船（或者小燒杯、塑料杯等）放在水面上，用注射器向兩船之間的水面注射水流，兩只小船就會靠近、相撞（圖12）。如果你曾試圖從水中爬上小船，就會有這樣的體驗——當手攀在小船邊緣，用力讓身體從水中向上運動時，你的下肢會被“吸”向船底。這是因為向上運動時，你的身體與船之間的水流速度加大，水壓就會減小，你身后的水會將你壓向船底。

圖12

夏天來了，有人喜歡到湍急的河流中玩水，這是非常危險的舉動。在靠近激流時，人和激流之間的水壓小，身后的水會將人推向水中央。有研究表明，水流速度達1米/秒時，推力的大小可達到300牛，這相當于30千克物體所受的重力大小。