在虹吸作用下转弯   

如果你参观完驾驶舱,或刚刚起身舒展了一下筋骨,你也许会顺路去趟厕所。通常,飞机上的厕所布局都很紧凑,里面设施的工作原理和你家里的厕所也很不一样。无论是哪里的厕所,它们都面临着一项挑战,将那些固态和液态的混合物冲进管道。家里的厕所马桶大多数是通过虹吸管来工作的。

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虹吸管展示了和大气压有关的一些基本物理现象,它们看起来就像魔术一样不可思议。

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虹吸管带来的惊喜

你最好回家再做这个实验。你需要两只玻璃杯和一支弯头吸管。将一只杯子注满水。现在,用吸管吸水,直到吸管中充满水为止。一边吸水,一边用手指盖住吸管的顶端。(干这活,手得巧。你可以用手指堵住吸管下端的口子,然后从顶部注水,再用手指盖住顶部,最后放开堵住吸管底部的手指,这要简单得多。)现在,把吸管举到空中。尽管吸管底部的口子是打开的,但水还是会待在吸管里,除非你把封住顶端开口的手挪开,水才会流出来。

现在举起装满水的玻璃杯,将弯曲吸管短的那一端挂在装满水的玻璃杯边缘,让管口没入水中,另一端在杯沿自然垂下插入第二只玻璃杯。用嘴在管口吸水,直至充满水,然后松嘴。

那么第一只玻璃杯中的水就会不断从管子中流出,直到水无法将吸管短的那一端的管口浸没为止。这就是一个虹吸装置。

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这个吸管实验中,有两个有趣的现象。第一个现象是,当吸管上端口子被封住时,水不会从下端开放的口子里流出来。第二个现象是,水向上流,在没有水泵的情况下,水源源不断地从第一只杯子流入第二只杯子中。

第一个实验向我们展示了大气压的威力。我们很容易忽视周围的气压,因为它们一直都在那儿,不过气压可以做一些不寻常的事儿。平时提起运动,我们就会想起牛顿定律,根据这些定律找出作用的几个力。在手指封住吸管顶部这个实验中,如果忽略有限的摩擦力,显著的力就只有两个——空气压力和重力。重力将水垂直向下拉,这不难理解吧。吸管的顶端几乎不存在空气压力,因为你的手指将空气阻挡在外。但吸管底部的口子是开放的,暴露在气压充分的作用中。

让我们做一些简单快速的计算,看看为什么大气压赢了。注满一支吸管大约需要3.3毫升的水,换算成重量就是3.3克,也就是0.0033千克。根据牛顿第二定律,力等于质量乘以加速度。现在,在重力作用下,吸管里的水受到一个约为9.81米/秒2的重力加速度。在这个重力加速度的影响下,吸管里的水受到了一个由其自身重量产生的,向下的0.0324千克·米/秒2的重力,说得通俗些,就是0.0324牛顿的重力(力的单位是以牛顿的名字命名的)。

大气压的方向向上。海平面上每平方米受到的气压约为101325牛顿,或是0.101325牛顿/毫米。对于吸管来说,它的横截面就是受压面。这个截面的半径约为3毫米,按照πr2这个公式可以计算出它的受力面积(r指的是吸管横截面的半径)约为28.27平方毫米,水受到的力为28.27×0.10325=2.86牛顿。大气压赢了,它产生的托力约是重力的88倍——水乖乖地待在吸管里,因为大气压轻而易举地获胜了。

当你让水经过吸管从一个杯子跑到另一个杯子时,你就搭建了一套虹吸装置。这个装置改变了力的平衡。在之前的实验中,重力向下,而大气压通过吸管底端的开口对水施加了一个向上的力,但是在这个实验中,吸管顶端的口子也是打开的。这意味着上面那个杯子中的水受到大气压向下的压力,而这个压力也会传递给吸管中的水。

吸管中的水位开始下降。如果管中出现真空,那真空部分的压力就小于管口的大气压。

在重力和大气压的作用下,水自下而上地运动,通过吸管转弯处,接着再流回低位玻璃杯中。高位液体持续流入低位液体容器,直到高、低位液体的水平高度相同,液体停止流动。

传统家用抽水马桶的后部有一个S形的管道,它的工作原理和弯曲吸管是一样的。在排污时,当马桶内的水面超过S弯的高点时,由于大气压形成的虹吸现象,能够把水和污物一同抽走。不过这种方法不适合飞机上的厕所使用,其中一个原因是飞机不便携带这么多用于冲厕所的水,对于航空业来说,重量就是金钱。另一个原因是携带的液体越多,出现渗漏的风险也越大,而这会导致一系列机械故障。