做液體壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)趣味物理知識(shí)

張軍

靜態(tài)的水，深度越深，壓強(qiáng)越大

戴上一次性塑料薄膜手套，把手伸入水中，會(huì)立即感受到手套緊緊地貼在手上（圖1），這是因?yàn)樗膬?nèi)部存在壓強(qiáng)。游泳時(shí)，如果潛水深一些，就會(huì)感覺(jué)胸悶，甚至肋骨疼痛，這是因?yàn)樵谕N液體內(nèi)部，深度越深，液體的壓強(qiáng)就越大。如果在飲料瓶側(cè)壁不同高度扎幾個(gè)小孔，瓶里的水就會(huì)噴出來(lái)，而最下面的小孔噴出的水流最急（圖2）。

借助壓強(qiáng)計(jì)，我們能直觀地看到壓強(qiáng)大小的變化（圖3）。壓強(qiáng)計(jì)主要由4部分構(gòu)成，蒙上彈性膜的探頭、兩端開(kāi)口的U形管、連接探頭和U形管的橡皮管、用來(lái)控制探頭上橡皮膜朝向的皮帶傳動(dòng)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(gè)密閉空間。當(dāng)探頭的彈性膜受壓時(shí)，U形管兩側(cè)液面就會(huì)出現(xiàn)高度差;受到的壓強(qiáng)越大，液面高度差就越大。這樣，就把看不見(jiàn)的“壓強(qiáng)大小”轉(zhuǎn)換成了可視的“液面高度差”。

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(shí)，U形管兩側(cè)液面高度差會(huì)更大。這樣，我們就可以總結(jié)出靜止液體內(nèi)部的壓強(qiáng)特點(diǎn)：同種液體內(nèi)部，深度越深，壓強(qiáng)越大;深度相同時(shí)，密度越大，壓強(qiáng)越大;同種液體的同一深度，向各個(gè)方向的壓強(qiáng)相等。

帕斯卡做“裂桶實(shí)驗(yàn)”時(shí)，桶與上面的細(xì)管子組成了一個(gè)容器。雖然管子很細(xì)，容積較小，但是桶在液面下的深度很深，受到的壓強(qiáng)便很大了，水對(duì)桶產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水自身的重力。

這就給了我們一個(gè)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(xì)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(jiān)固，來(lái)抵擋深水處的壓強(qiáng)。水中摻雜泥沙后，密度更大，相同深度處產(chǎn)生的壓強(qiáng)也更大。在汛期時(shí)，防洪部門(mén)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(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，水會(huì)進(jìn)入壩體內(nèi)，導(dǎo)致壩體松軟、強(qiáng)度下降，還會(huì)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(qiáng)度要高出許多。像三峽大壩這樣的超級(jí)工程（圖4），除了靠增加寬度來(lái)增加強(qiáng)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(zhǎng)壩體壽命。

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

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(dòng);如果想潛得更深，就必須采用耐高壓材料和先進(jìn)技術(shù)，否則潛水艇有被水壓成一塊鋼板的危險(xiǎn)。在水下700米的深度，甚至玻璃都會(huì)被壓成粉末。

連通器原理

如果兩個(gè)容器底部相通，裝上同種液體且保持靜止時(shí)，兩個(gè)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(guò)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(guò)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(gè)叫“閘室”的“容器”?！皦w”的上部有工作閘門(mén)，底端有輸水閥門(mén)。當(dāng)船從上游駛往下游時(shí)，上游引航道與閘室之間的輸水閥門(mén)打開(kāi)，上游的水通過(guò)輸水系統(tǒng)灌進(jìn)閘室，直到閘室水面上升到與上游水位相平。這時(shí)，上面的工作閘門(mén)打開(kāi)，船由上游引航道進(jìn)入閘室，再將工作閘門(mén)和輸水閥門(mén)關(guān)閉。接著，閘室與下游引航道之間的輸水閥門(mén)打開(kāi)，閘室內(nèi)的水通過(guò)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(mén)打開(kāi)，船進(jìn)入下游引航道。如果船只從下游駛往上游，程序則相反。

密閉液體對(duì)壓強(qiáng)的傳遞

帕斯卡在1653年發(fā)現(xiàn)了一個(gè)規(guī)律，密閉的液體可以大小不變地向各個(gè)方向傳遞壓強(qiáng)。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(huì)產(chǎn)生大小等于F1/S1的壓強(qiáng)。這個(gè)壓強(qiáng)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(jī)、液壓傳動(dòng)裝置、液壓制動(dòng)裝置等都利用了帕斯卡定律，我們常見(jiàn)的液壓千斤頂也用到了這個(gè)原理（圖8）。

我們可以用兩個(gè)注射器、一根橡膠管來(lái)模擬液壓機(jī)或液壓傳動(dòng)裝置。

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

找個(gè)飲料瓶，在蓋子上鉆孔，剛好可以讓注射器的乳頭插進(jìn)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(jìn)去，要用力，盡量把水往瓶子里壓（圖10）。這時(shí)，壓強(qiáng)會(huì)傳遞到塑料瓶的內(nèi)壁，并導(dǎo)致瓶子形變，向外膨脹。把注射器猛地拔出來(lái)，飲料瓶會(huì)迅速恢復(fù)原狀，對(duì)瓶?jī)?nèi)水施壓，水會(huì)噴射而出（圖11）！

當(dāng)液體流動(dòng)起來(lái)又會(huì)發(fā)生什么

如果液體流動(dòng)起來(lái)，壓強(qiáng)會(huì)有新的規(guī)律嗎？

1726年，丹尼爾·伯努利經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)提出了伯努利原理，在穩(wěn)定流動(dòng)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(qiáng)就會(huì)越小。氣體和液體都屬于流體，這個(gè)規(guī)律都適用。1912年，一場(chǎng)著名的海難讓人們對(duì)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(hào)郵輪正在駛往紐約的海面上，不遠(yuǎn)處，7350噸的“豪克”號(hào)巡洋艦在并排行駛。當(dāng)兩船靠得近一些時(shí)，“豪克”號(hào)突然不聽(tīng)舵手的操縱，沖向了“奧林匹克”號(hào)。最終，“豪克”號(hào)的船頭將“奧林匹克”號(hào)的船舷撞出了一個(gè)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(jìn)時(shí)，兩船之間的水比外側(cè)流得快，導(dǎo)致壓強(qiáng)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(hào)的質(zhì)量小，慣性小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更容易改變，所以以更大的速度貼向“奧林匹克”號(hào)。后來(lái)，人們把并排行駛的船會(huì)“自動(dòng)”靠近的現(xiàn)象也稱(chēng)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(huì)靠近、相撞（圖12）。如果你曾試圖從水中爬上小船，就會(huì)有這樣的體驗(yàn)——當(dāng)手攀在小船邊緣，用力讓身體從水中向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，你的下肢會(huì)被“吸”向船底。這是因?yàn)橄蛏线\(yùn)動(dòng)時(shí)，你的身體與船之間的水流速度加大，水壓就會(huì)減小，你身后的水會(huì)將你壓向船底。

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