液體壓力知多少

提到“壓力”這個(gè)詞，想必各行各業(yè)、不同身份的人都有各自的看法。

在物理學(xué)中，“壓力”是指發(fā)生在兩個(gè)物體的接觸表面的作用力，或是氣體對(duì)于固體和液體表面的垂直作用力，又或是液體對(duì)于固體表面的垂直作用力。而沒有一定的形狀、具有流動(dòng)性特征、又有相似的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的液體或氣體則被合稱為“流體”。研究這兩項(xiàng)的科學(xué)就是流體力學(xué)。雖然這幾個(gè)概念看起來格外“高大上”，但其實(shí)它們都是在人類同自然界做斗爭或生產(chǎn)實(shí)踐中逐步發(fā)展起來的。我們耳熟能詳?shù)拇笥碇嗡柰ń拥膫髡f，戰(zhàn)國時(shí)代李冰父子領(lǐng)導(dǎo)勞動(dòng)人民修建的，至今還在發(fā)揮作用的都江堰，現(xiàn)代城市必不可少的大規(guī)模供水管道系統(tǒng)，飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)，等等，都利用了流體力學(xué)這門科學(xué)。

現(xiàn)在，就讓我們跟隨科學(xué)家的腳步，一起看看“壓力”是怎么改變我們的生活的吧！

抽不上來的水

雨雪天氣里，是不是常聽到“今天好悶，感覺喘不過氣來”之類的話？這種看不見摸不著，卻能影響人體機(jī)能的神秘存在就是“氣壓”。

其實(shí)早在17世紀(jì)，意大利的挖井人就注意到，抽水時(shí)最高只能將水抽到10米左右的高度，再高水就抽不上來了。雖然現(xiàn)在我們知道真正將水“壓出來”的力量是大氣提供的，但在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界，這個(gè)問題卻引起了學(xué)者們的激烈討論。有一些學(xué)者提出了關(guān)于“大氣壓力”的猜想，但最終成功用實(shí)驗(yàn)證明并測(cè)出大氣壓的人是意大利的物理學(xué)家托里拆利。

托里拆利實(shí)驗(yàn)

趣聊科學(xué)家之托里拆利

托里拆利在提出了關(guān)于“大氣壓力”的猜想后，做了著名的“托里拆利實(shí)驗(yàn)”。他選擇了當(dāng)時(shí)自然界能找到的“最重的流體”——水銀，來代替水。

托里拆利先在長約1米且一端封閉的玻璃管中注滿水銀，再堵住管口將玻璃管倒立于水銀槽內(nèi)，然后松開管口。原本達(dá)到管頂?shù)乃y開始下降，直至下降到高于槽中水銀面760毫米左右的位置停住，以與管外大氣壓強(qiáng)的作用相平衡。由此，托里拆利成功測(cè)出了大氣壓，即760毫米高的汞柱能夠產(chǎn)生的壓強(qiáng)。而管上段的空司，便可看作“真空”，這也否定了當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)同的“自然界厭惡真空”的說法。

拉不開的“球”

為了讓參觀者更加直觀地感受氣壓，河南省科學(xué)技術(shù)館探索發(fā)現(xiàn)展廳中有一件由大小三組馬德堡半球、抽氣裝置、手柄等部件組成的展品。參觀者按下啟動(dòng)按鈕，開啟抽氣裝置，神奇的事情就發(fā)生了：抽氣后的馬德堡半球就像被強(qiáng)力膠水緊緊粘在一起一樣，不論怎么用力都拉不開。

這個(gè)場(chǎng)景是不是令你想起了衛(wèi)生間墻壁上的免粘吸盤，它也是利用大氣壓強(qiáng)吸附在墻面上的。

實(shí)驗(yàn)檔案

實(shí)驗(yàn)名稱：馬德堡半球

實(shí)驗(yàn)原理：展品通過模擬馬德堡半球?qū)嶒?yàn)，直觀地證明了大氣壓力的存在。抽氣前，半球的內(nèi)外部氣壓相同且等于大氣壓；抽氣后，球內(nèi)的空氣逐漸減少，壓強(qiáng)逐漸接近真空狀態(tài)，半球外部大氣壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其內(nèi)部，因此看起來就好像大氣壓“壓”住了半球一樣。

市長也“瘋狂”

趣聊科學(xué)家之格里克

1646年，德國科學(xué)家格里克當(dāng)選為馬德堡市市長。在他任職期間，他也不忘關(guān)注科學(xué)界的新動(dòng)態(tài)，在聽說托里拆利的猜想經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)后仍有許多人拒不相信大氣壓的存在時(shí)，格里克義憤填膺。他和助手做了兩個(gè)直徑37厘米左右的半球，并請(qǐng)來一大隊(duì)人馬，在市郊做起了“大型實(shí)驗(yàn)”。

做實(shí)驗(yàn)這天，晴空萬里，人們圍在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)邊，支持者與反對(duì)者高聲爭論著，還有看熱鬧的小孩子一邊往實(shí)驗(yàn)場(chǎng)跑，一邊高聲大叫：“市長演馬戲了！市長演馬戲了！”

格里克和助手當(dāng)眾在兩個(gè)半球中間墊上橡皮圈，再把兩個(gè)半球灌滿水后合在一起，然后把水全部抽出，使球內(nèi)形成真空，最后把氣嘴上的龍頭擰緊封閉。這時(shí)，看不見的大氣已經(jīng)把兩個(gè)半球緊緊地壓在一起了。格里克一揮手，4個(gè)馬夫牽來8匹高頭大馬，在球的兩邊各拴4匹。格里克一聲令下，4個(gè)馬夫揚(yáng)鞭催馬，背道“拔河”?！凹佑停〖佑?！”實(shí)驗(yàn)場(chǎng)邊黑壓壓的人群喊著。但是，兩個(gè)半球絲毫沒有被拉開的痕跡。格里克只好搖搖手暫停一下。然后，左右兩隊(duì)，人馬加倍。準(zhǔn)備工作結(jié)束后，格里克再一揮手，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)上更是熱鬧非凡。8個(gè)馬夫，16匹大馬又開始新一輪的“拔河”。半晌，只聽“啪”的一聲巨響，球被拉開了，格里克拿起這兩個(gè)半球自豪地向大家高聲宣告：“市民們！看到了嗎？大氣壓是有的，大氣壓力的威力就是這么驚人！”

真空實(shí)驗(yàn)

真空是指壓強(qiáng)遠(yuǎn)小于101.325千帕（即1大氣壓）的稀薄氣體空間。在自然環(huán)境里，只有太空最接近真空。但現(xiàn)在許多現(xiàn)代儀器都需要在真空狀態(tài)下工作，如半導(dǎo)體、硬盤、鏡片等，這時(shí)人們往往利用真空泵達(dá)到不同程度的真空。

繼續(xù)深入展廳，映入眼簾的是一件由兩組實(shí)驗(yàn)裝置組成的展品——真空實(shí)驗(yàn)。參觀者按下展品左側(cè)裝置的紅色按鈕，會(huì)發(fā)現(xiàn)在同樣轉(zhuǎn)速風(fēng)扇的吹動(dòng)下，罐中風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)速度卻由快到慢再逐漸變快：按下右側(cè)裝置的紅色按鈕，會(huì)發(fā)現(xiàn)罐中癟掉的氣球慢慢鼓了起來，隨后又恢復(fù)到原來的狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)檔案

實(shí)驗(yàn)名稱：真空實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原理：參觀者按下左側(cè)裝置的紅色按鈕后，裝置中的抽氣泵開始抽氣，罐中空氣逐漸減少，風(fēng)扇的動(dòng)力傳遞需要空氣作為介質(zhì)，所以風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)越來越慢；抽氣泵停止工作后，罐中重新充滿空氣，風(fēng)車恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。右側(cè)裝置運(yùn)用了同樣的原理，抽氣泵抽氣后，罐中空氣逐漸減少，壓強(qiáng)變小，氣球內(nèi)部氣壓大于外部氣壓，氣球在內(nèi)部氣壓的作用下慢慢鼓了起來；隨后抽氣泵停止工作，罐中重新充滿空氣，氣球內(nèi)部氣壓小于外部氣壓，氣球又恢復(fù)原狀。

流體流速越大，壓強(qiáng)越小

沿著展廳繼續(xù)前進(jìn)，有一件由風(fēng)筒、不同規(guī)格的小球、多媒體屏幕等組成的展品——伯努利原理展示。參觀者按下操作臺(tái)上的啟動(dòng)按鈕，將球放置于風(fēng)筒上端，小球懸空飄浮，同時(shí)參觀者也可以在多媒體屏幕上觀看小球的運(yùn)動(dòng)軌跡。

實(shí)驗(yàn)檔案

實(shí)驗(yàn)名稱：伯努利原理展示

實(shí)驗(yàn)愿理：當(dāng)氣流吹向小球時(shí)，中間氣流速度大，壓強(qiáng)?。褐車臍饬魉俣刃?，壓強(qiáng)大，這時(shí)周圍的空氣就會(huì)把小球約束在氣流中間，小球就會(huì)懸空漂浮起來。這件展品直觀地展示了伯努利原理的特點(diǎn)，即流體流速越大，壓強(qiáng)越?。涣黧w流速越小，壓強(qiáng)越大。

伯努利原理的應(yīng)用

伯努利原理是物理學(xué)中的一個(gè)基本原理，它在各行各業(yè)中都有很多實(shí)際的應(yīng)用。最常見的要數(shù)我們乘坐地鐵或火車時(shí)，站臺(tái)上設(shè)置的安全門和安全黃線了，它們就是利用了伯努利原理，防止行進(jìn)的列車帶動(dòng)軌道兩側(cè)的空氣快速流動(dòng)，將人吸入軌道而發(fā)生危險(xiǎn)。

在河南省科學(xué)技術(shù)館探索發(fā)現(xiàn)展廳中還有兩件利用伯努利原理制成的展品。

實(shí)驗(yàn)檔案

實(shí)驗(yàn)名稱：機(jī)翼的升力

實(shí)驗(yàn)原理：這件展品由風(fēng)機(jī)和兩組翼面模型等組成。參觀者按下啟動(dòng)按鈕，風(fēng)機(jī)開始運(yùn)行，在高速氣流作用下，一組機(jī)翼模型開始上升，另一組機(jī)翼模型中間的小球也隨之上升。產(chǎn)生這種情況是因?yàn)闄C(jī)翼的上翼面呈弧形，因此上翼面流速快于下翼面，導(dǎo)致上翼面空氣壓力小于下翼面，機(jī)翼兩面的壓力差產(chǎn)生了個(gè)向上的力，也就是機(jī)翼的升力。機(jī)翼模型中間的小球也是因?yàn)檫@個(gè)壓力差，受到向上的力。同理，飛機(jī)正是因?yàn)檫@個(gè)升力，才能夠飛上天。

實(shí)驗(yàn)檔案

實(shí)驗(yàn)名稱：逆風(fēng)行船

實(shí)驗(yàn)原理：這件展品由風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)盤、帆船模型等組成。參觀者按下啟動(dòng)按鈕，風(fēng)機(jī)開始運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤調(diào)整船的行進(jìn)方向時(shí)可以觀察到，當(dāng)風(fēng)向與船的行駛方向有大于零的夾角時(shí)，帆在風(fēng)力作用下鼓起，帆的迎風(fēng)面風(fēng)速快，另一側(cè)風(fēng)速慢。根據(jù)伯努利原理，氣體流速小的一側(cè)對(duì)流速大的一側(cè)產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向的壓力，帆船就是在這個(gè)壓力的推動(dòng)下逆風(fēng)航行。

不借助泵卻可以抽吸液體

不借助泵而抽吸液體的現(xiàn)象就是虹吸現(xiàn)象，可以說，虹吸是因?yàn)橐后w壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)而產(chǎn)生的。在我們的生活中利用虹吸原理的設(shè)備也不少見，如虹吸式馬桶、虹吸排水系統(tǒng)，此外，給魚缸換水，甚至醫(yī)院里面的洗胃治療也都利用了這項(xiàng)原理。

展廳中虹吸展品由兩組承載物不同的杯子構(gòu)成。參觀者轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，調(diào)整平衡桿的角度，使兩組杯子產(chǎn)生高度差，液體便會(huì)通過U型管從較高位置的杯子流向處于較低位置的杯子，鏈條也從一個(gè)杯子倒向另一個(gè)杯子，直到兩個(gè)杯內(nèi)的液面高度一樣，液體才會(huì)停止流動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)檔案

實(shí)驗(yàn)名稱：虹吸

實(shí)驗(yàn)原理：虹吸現(xiàn)象是液態(tài)分子間引力與位能差造成的，鏈條的流動(dòng)模擬了液體分子之間的引力，即利用水柱壓力差，使水上升后再流到低處。由于管口水面承受不同的大氣壓力，水會(huì)從壓力大的一邊流向壓力小的一邊，直到兩邊的大氣壓力相等，容器內(nèi)的水面變成相同的高度，水就會(huì)停止流動(dòng)。