在線微課|玩轉實驗系列之“水往高處流”
早在東漢末年，我們的祖先就利用長管引水翻山，灌溉農田。在宋朝，士兵們用竹筒開孔制成滅火器——唧筒，澆滅戰火守衛城門。到了明朝，朱元璋用內涵玄機的公道杯，教會大家“謙受益，滿招損”的道理。而這些不同年代的發明，都使用了同一種物理現象——虹吸。
01 虹吸現象
俗話說：“人往高處走，水往低處流。”因為地心引力的關系，“水往低處流”是一種客觀規律。但是利用虹吸現象可以讓“水往高處流”，你相信嗎？接下來請大家跟隨小編來做實驗，一起見證神奇的虹吸現象吧。
實驗材料
兩個水杯，一根吸管，針筒，水。
實驗步驟
1、將一個水杯置于高處并盛滿水，另一個水杯放在桌面，制造兩個水杯之間的高低差。將一根吸管放入盛水的杯中，用針筒從另一端將水抽出并迅速放開。
2、高位水杯里的水會順著吸管不斷往上升，之后再順著吸管流到低位玻璃杯中。
原理解釋
所謂的虹吸，是指在大氣壓作用下，因高度差產生的液體流動現象。將液體充滿一根倒U形的管狀結構內后，將開口高的一端置于裝滿液體的容器中，吸管內的液體會“先上升，后下降”，水持續通過吸管向更低的位置流出。
虹吸現象
虹吸的實質是因為液體壓強和大氣壓強而產生。由于管口水面承受不同的大氣壓力，水會由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，容器內的水面變成相同的高度，水就會停止流動。
02 虹吸在古代的應用
用于灌溉農田的虹吸管——渴烏
中國人很早就懂得應用虹吸原理并制造虹吸管，當時的虹吸管被稱為 “渴烏”或“過山龍”。渴烏最早出現在東漢，由畢嵐發明。
唐代歷史學家杜佑在《通典》中有記載：“渴烏，隔山取水。以大竹筒雌雄相接。勿令漏泄。以麻漆封裹。推過山外。就水置筒。入水五尺。即于筒尾取松樺乾草當筒放火。火氣潛通水所。即應而上。”
由此可見，當時的人們將竹筒相接，在接口處密封，然后通過在一端放入干草燃燒，從而在竹筒內形成負壓，將山另一邊的水吸過來并源源不斷流出，用于灌溉。
渴烏動畫示意圖
古代的滅火器——唧筒
宋代人還應用虹吸原理發明了滅火器——唧筒。它的特點是“筒是長竹，下開竅，以絮囊水桿，自竅唧水”。將其竹筒端放進水中，并將裹絮（即活塞）水桿（即拉桿）往上抽起，水就通過竅（閥）進入水筒中。它既能汲水，又能排出水，拉動活塞抽水，再擠壓，水從小孔射出，可以達到較遠的射程，就像針筒一般，是戰爭中一種守城必備的滅火器。
竹唧筒
“謙受益，滿招損”的酒具——公道杯
公道杯是一種獨特的酒具，主要功能是限制容酒量，盛酒時只能淺平，若倒得過滿，酒液就會全部從杯底流出，一滴不剩。
清公道杯（圖片來源：南海博物館）
傳說明太祖朱元璋在宴請開國功臣時，親自用此類器具為群臣斟酒，并讓他們根據自己功勞的多寡來決定斟酒的多少。當時有一位將領自恃功高又貪杯，就請朱元璋把酒斟滿，誰知剛把酒杯端起來，酒就全部漏光了。而其他人的杯中，只要酒不斟滿，都盡得甘醇。朱元璋見此便言道：“謙受益，滿招損”，隨之將這種酒具命名為“公道杯”。以此告誡世人：不可貪得無厭，需講求公道。
公道杯為何如此神通？秘密在于杯中的人像中，此人像俗稱“公道佬”，公道佬與杯底燒結在一起，體內設置倒U形彎管，杯底設置漏孔。向杯中倒酒時，如果超過管子彎曲處，就會從杯底的小孔中全部流出，運用的就是我們今天所說的虹吸原理。
公道杯原理（源自網絡）
03 虹吸在現代的應用
現如今在我們的日常生活中，虹吸原理的應用也是無處不在，平時我們給魚缸換水，汽車司機用虹吸管從油桶中吸出汽油，上廁所用的坐便式抽水馬桶，洗澡用的淋浴裝置，草坪上的一些灌溉用的噴灑裝置，甚至醫院的洗胃裝置，以及一些屋面的排水系統等等，都是利用了虹吸原理。
魚缸換水示意圖
當我們給魚缸換水時，將虹吸管插入其中，在另一端將吸管內的空氣吸干，魚缸的水就順著虹吸管流出。
抽水馬桶內部示意圖
抽水馬桶內部有一個倒U形管道，即為虹吸管，當便池中快速進入足夠多的水時，虹吸管內被充滿液體后，高位置的水向低位置流出，從而實現沖水效果。
由此可見，虹吸原理是如此地貼近我們的生活，小伙伴們，你們還能發現更多利用虹吸原理而發明的生活物品嗎？不妨在我們下方評論區留言哦。
資料來源：
[1]程軍.公道杯創制時間考[J]. 山西大同大學學報(自然科學版),2012(12):96
[2]張揚.中國古代酒器“公道杯”設計研究及創新設計應用[J]. 包裝工程,2020(7):325-331
[3]海珠.九龍公道杯.陶瓷研究,2003(1):34
