对虹吸原理的另一种解释---（下篇）
2018-10-15 12:47阅读：
对虹吸原理的另一种解释 ---
（下篇）
(接上篇）
五 .
疑难问题解释
1）
虹吸管顶端的液体为什么没有被拉断？
因为顶部的内压是“压”出来的，它承受了多少压力，就能抵抗多少压力，
承受力和抵抗力是可以一起变化并总是相等的，因为我们足够强大所以才不会被打败。这似乎变成了一个哲学问题。
当处于高度极限时，顶部是真空，内压为零，液体仍然有内部的粘聚力维持状态。除此之外液体一直受压，液体高度越低，受压越大。但是受压对液体的流动性改变不大，在很宽泛的压力范围里影响很小，因此受不受压对液体来说无所谓，这也说明大气压的作用很有限，关系不大。
管子顶部的液体总是处于受压最轻松的状态，液体压强为零，但是这样也不妨碍虹吸管两侧的液体可以依靠粘聚力团结为为一个整体而不受拉断威胁。假如把顶端的液体设想为一份一份被拉动那么也是在顶端处于液体压强几乎为零的自由状态下一份一份地在水平方向地移动，液体内部的粘聚力完全可以胜任这个工作而没有被拉断的危险。在前面的论述中也讲到，虹吸管中的液体移动的原因实质上是重力势能有自动减少的趋势并向下流动，它是能量守恒的一种方式，并且液体在管道中受大气压在两端的“夹持”，它是作为一个整体移动的，假定流速是均匀的，那么它的每一部分之间都是相对静止的，是不受另外的拉力的，也是不
会被拉断的。
但是对虹吸管的特殊结构来说，看压强分布图顶部弯曲处还是”应力集中“的部位，受力不均匀，如果发生离断也将在此处最先发生。但是这是在虹吸管处于进水高度处于极限的最大高度才会出现的问题，同时因为液体的压强是不会向上传递的，顶端总是液体压强为零或者有无内压，高度越高，驱动力的最大值越低。到了最高高度，驱动力必须降到零。所以只要在虹吸高度限制的数值以下虹吸发生只有驱动力和内压的变化，不会有拉断问题。
正是如此，只要顶部液体内部有内压，它就是坚强的。只要液体内部有粘聚力，它也是坚强的。粘聚力保证了液体可以流动的连续性。
2）
虹吸最大高度受限制吗？
受限制的原因是什么？大气压起什么作用？
在虹吸管中，随着进水管和出水管的加长，内压逐渐变低，还是各自独立内压加减高度差值的一半数值。驱动力是两管液面高度差的重力。但是这个驱动力不能随便加大，只能越来越小。因为当进水管高度接近十米时，出水管必须也要接近十米并超过它，这样两者的高度差会越来越小，驱动力也变得越来越小，虹吸效果越来越弱。因为有高度差才会有驱动力。一旦进水管高度等于十米，顶部内压为零，出水高度也只能最多到十米，没有了高度差，驱动力也为零了，虹吸停止。内压为零意味着液体处于放松的真空状态，不沸腾也罢，只剩下液体内分子间的粘聚力维持状态。这个粘聚力数值估计不会太大，跟液体重力相比可能微不足道，不会对进水高度十米的极限改变多少，具体情况需要有实验验证，但是在真空状态下它对虹吸维持会发挥作用使最大高度稍微超过十米。
一旦进水管高度达到十米，就不能再高了，因为管底下的一个标准大气压最多只能支持大约十米高的水柱产生的压强，再增加高度的结果是顶部液体脱离管壁，水柱发生离断，向两侧降落并停止在十米高度，也没有了驱动力。因此限制虹吸能够正常发生的最大高度由大气压的数值决定。
这里虹吸发生的最大高度跟托里拆利水银柱的最大高度以及用水泵抽水的最大吸程这三者之间达到了理论上的统一，都跟大气压有关，都是大气压托起液柱并压强相等的结果。
但是因为有粘聚力的存在，虹吸最大高度与托里拆利最大高度可能不会完全相同，前者因为是附加了粘聚力，很可能会比后者高度稍微大些，而后者在液面回落的过程中要牵扯到两个界面间的分子力，它跟液体内部的粘度形成的附加力还是有区别的。这些细节问题需要有实验室支持和验证。
既然虹吸效果是因为液面高度差的重力引起的驱动力发生变化引起的，就说明在最大高度范围内虹吸现象发生的效果完全不受气压变化的影响，气压不提供力的作用，还说明大气压并不会提供顶点处的压强差，不会提供驱动力，但是大气压决定最大高度的数值，也由液体的比重决定，大气压还使虹吸现象在它的压力变化范围内都能够正常发生，最大液高得到保证，也不会像在真空环境中那样降落到最低。
在说明虹吸原理时很多人喜欢直接引用结论，说虹吸发生原因是重力和大气压共同作用的结果，这本没有错，但是这样说很容易给人一个印象，就是淡化了液体重力的作用，强化并虚拟了大气压也提供力的作用，或者平分秋色，模糊了重力是驱动力的根本原因，而大气压的存在仅仅限制了虹吸能够发生的最大高度的数值，在这个最大高度以下虹吸发生的效果跟大气压的变化是没有关系的，如果看不到这一点说明人们可能对重力驱动说没有真正理解和接受。
比如，汽车能够行驶，人们不会说是因为有了轮子，真正驱动汽车前进的原因是有发动机。飞机，火箭能够上天也主要不是因为有了翅膀，根本原因还是有发动机驱动。
这还像杂技演员表演叠罗汉，底部的打基础的演员身体素质好，可以叠三层，顶尖的小演员就可以在高高的人上表演，如果底部人没有力气，只搭一层，小演员只能在一层高度表演，效果大减。
还比如一个运动员出了好成绩，我们会感谢教练，运动员自己刻苦和训练场所好，不会首先感谢太阳给我们提供了明亮的一半时间的白天，让我们有时间训练。
还比如，一个海滨浴场可以容纳几万人，另一个只能容纳几千人，这里只有场地规模大小的区别，但是这两个浴场平时来的游人都可以有时少点，有时多点，多少都可以正常运营。
再比喻，地球上，江河湖海，水的流动，谁会说是大气压起了关键作用？但是没有大气压的保护，地球上就没有了水，更没有了生命，会像月球一样荒芜，大气压起了不可估量的作用，但是引起水流动的根本原因还是重力起关键作用。
据资料介绍：
2010年5月澳洲昆士兰科技大学休斯博士（Dr
Stephen
Hughes）指出虹吸现象：“是由重力让虹吸管内的液体由上端往下端流动，借由较长且朝下的那一端，将较短上端那一边的水往上引出再流到下端。”他认为，造成虹吸管液体在短臂上升后又在长臂下降的原因并非人们以为的大气压，而是重力。在他的实验里，Hughes做了一个测试，他在低压舱内进行了虹吸实验，在低压舱里他可以改变气压的大小，他要看看到底大气压对虹吸现象有没有作用。按照我们的常识，如果你要纠正某人，首先你得确定自己是正确的。Hughes的实验里，不同水平的大气压对水的流动影响非常小，长时间看来大气压对水通过虹吸流走的量完全没有影响。所以Hughes写了一篇论文，发表在《科学报告》上，不但证明了自己比词典还聪明，还证明了重力实际上才是虹吸真正的原因。
本人查到了休斯博士的论文原文，看不懂文字，但是有现场图片和实验结果图表。
在他的实验中，低压舱里虹吸高度有两种，一个是高度为1.5米，另一个很低，但是它们的液面高度差设为相同。然后调节改变舱内气压并记录流量的变化。图表似乎表明不同气压对流量影响很小。但是看样子他没有做高度真空的实验，估计低压仓也不允许。
实验结果至少证明环境的气压变化在一定范围内对虹吸正常发生几乎没有影响，重力才是真正的驱动力。
这里本人可以针对他的实验举一个例子并进行计算：
既然我们以上关于驱动力的计算是涉及在一个大气压数值下的状况，同时认为引起虹吸的驱动力跟大气压的数值似乎直接有关，那么我们可以人为地将大气压数值降下来再进行同样方法的计算，看看驱动力是否跟着发生变化。如果计算结果改变了，说明跟大气压数值有关，如果不变，说明跟大气压变化无关。
仍以具体数字为例，仍假设以高度数字为压强值：
设左侧虹吸管高度为20
，右侧为80 ，大气压设为100
。
独立状态时，左侧内压为100—20 =80
，右侧100—80 =20
融合前平均值差为（80—20）/2 =30
融合后内压为 左侧80—30=50
右侧为20+30 =50
即新的内压值为50
，驱动力压强为80—20=60
（左右两侧开口处液面压强与驱动力验证计算略）。
然后我们将大气压的数值降下来再进行同样方法的计算：
设大气压的数值为90
，其它条件不变，则有：
独立状态时，左侧内压为90—20 =70
，右侧90—80 =10
融合前平均值差为（70—10）/2 =30
融合后内压为 左侧70—30=40
右侧为10+30 =40
即新的内压值为40
。比原来低了。
用两端液面压强验证驱动力：
左面 : 90—(40+20) =30
,方向向上。
右面：
（40+80）--90 =30
，方向向下。
对于流动方向来说，两个数值同向，可以相加：30+30 =60
同时将两端高度压强差直接相减也可： 80—20 =60
,数值相符。
这个60值就是大气压降低为90之后的驱动力压强，可见没有变。
这个计算证明在液面高度差不变的情况下当大气压值由100改变为90时引起液体流动的驱动力压强值没有改变，就是说当大气压在一定范围变化时几乎不影响虹吸现象发生的效果，跟大气压无关。
同时也说明大气压数值的改变引起液体粘聚力的细微变化进而影响虹吸流量的变化几乎可以忽略，在虹吸液面高差不变的情况下大气压数值变化在一定范围内都对驱动力没有影响。
相信休斯博士看到这个计算一定会很高兴，因为它从理论上验证了它的实验的合理性。但是可惜休斯博士的实验不是验证真空状态下的虹吸现象，如果他也做了真空下的实验就完美了。
3）
真空状态下虹吸现象还能发生吗？
这里用“还能”，不用“正常发生”的说法是有原因的。真空下的虹吸管内压为零，液体不受大气压压缩和依托，只受重力影响，顶端的液体只有一点点的粘聚力维持，很容易离断而各自回落到底部。
但是在液面高度差不是很大的情况下，液体粘聚力便起了意外的作用使虹吸现象能够继续进行，在可以任意改变真空度的实验环境下能否跟在大气压下一样正常发生还要实验验证。为此，一些人做了真空下的实验，多次不能发生，极少次发生，可能实验设计不够严谨。最有意思的是国外有个视频，他们使用一种不会蒸发和沸腾的特殊液体，号称“离子水”，这样可以排除一些人使用普通水做实验存在水蒸气气压造成的干扰和误判。在这个视频中我们看到，在高度真空的实验装置中两杯水升降变化后虹吸现象可以交替反复正常发生。本人不怀疑这个实验的正确性，但是推测当液体顶端与液面太高了，虹吸也会中断，因为不同液体的粘聚力不同，能承受的液体高度也会不同，不能仅凭一种液体在特定的高度内可以实现虹吸就断定其它液体也可以在更高的高度下正常实现虹吸。
看来能否正常发生是不一定的，决定于液体性质，受最高高度限制。这需要一些实验支持。但是在一定条件下能够发生已经不是疑问了。在那个视频中，两端的容器交替上升和下降，虹吸也交替发生，没有断流，但由于实验设备体积所限运动范围不够高大。那个实验里估计虹吸最大高度也不超过10厘米，因此很难估计如果更高虹吸是否还能正常发生。
建议作为一个课题，有条件的可以继续研究，题目就叫《真空条件下不同液体粘聚力对虹吸发生最大高度的影响》。
资料介绍的主流媒体认为真空条件下虹吸可以发生，但是有趣的是少数人认为真空下虹吸不能发生甚至认为托里拆利的实验也不会发生水银柱回落到底，这说明大众和教育部门的真空实验室不够普及和有关实验做得少影响力不足。物理学需要以实验为基础，我们也需要更多的人参与和创新。
这里本人提供一个可以用水银验证的思路：在玻璃真空罩外面用强力磁铁吸住器皿和管子可以随意上下移动以观察效果。
4）
混入空气和气泡后是否还能发生虹吸的问题。
用重力驱动说已经可以解释虹吸现象发生原理了，但是它受到另一个有趣的问题的挑战，那就是当虹吸管中混入空气后虹吸能否正常发生的讨论。实验证明虹吸管中进水端混入了大量空气后形成气泡或者很长的气柱时虹吸照样可以继续进行，甚至在顶端有一定长度气柱也可以，这成为持压强差理论者反驳重力驱动论者的理由，似乎这时液体的粘聚力不能解释此现象了。一段气体明显在顶部，中断了两侧的液体，使它们失去联系，但是为什么液体可以照样向上跑。
用重力拉动说仍然可以解释。
前面已经阐述了虹吸发生原理，大气压作用在管子两端，对水产生对等的挤压，水将压强作用在管壁上，管壁产生反力作用于水，水再将内压与液体重力压强合在一起作用于大气压，达到平衡。重力差作为外力来说作用于水柱整体，沿管道流动方向驱动它运动。水在这里作为一个整体被大气压“夹持”在中间，里面的空气气泡内部同样具有内压，但是气泡改变了液体整体的质量分布，减少了整体的重量，也改变着两端的重力差的大小甚至方向。气泡是总体的一部分，混入均匀气泡相当于整体密度变小，重力差值变小，驱动力变小。但是进水端气泡多反而加大了两端的重力差，吸水更快，一旦水上升高度加大，驱动力反而变小了，因为气泡掺入出水端，减少了这一侧的重量，使重力差变小。
混入气泡不可太多，要维持虹吸能够进行不中断，要做到在流动中气泡掺入后的任何时刻出水端的重力要大于进水端的重力，流动减慢不要紧，关键是不能小，一旦驱动力变成负值，进水端会停止或倒流而中断。
这样也会出现一个奇怪的现象，如果两个液面高度差足够，当进水端全是空气甚至越过顶端超过一大段，虹吸照样可以继续进行，进水端水面会从液面高度开始顶着空气自动上升直到越过顶端然后下降连续发生。
这个奇特现象让那些持压强差理论的人更不好解释，顶端甚至进水端满管全是空气，何来压强差？取一个空气片何来压强差？
但是用重力拉动说可以解释。
这时液体的粘聚力没有外部表现，空气和液体作为两种物质混合作为一个整体被大气压夹持和压缩，然后受重力拉动，这样就很好解释了。
许多资料中都介绍虹吸发生的条件之一是必须灌满水，否则虹吸不能正常进行，这种说法是不够严谨的。本人经过多次实验证明大量气泡进入甚至进水端全是气泡乃至越过顶端一些都不会阻止虹吸继续进行，只要出水端足够的低就可以轻松做到，这已经说明之前的理论是有实验根据的，只要保持出水端的重力差一直为流动方向并且为正值，虹吸就可以不理睬气泡的进入多少可以连续发生，只是驱动力受到影响流动快慢变化了一些而已。
六．
重力驱动说综合讨论和弹簧串模型的引入
用重力驱动说已经可以解释连通器和虹吸发生原理了，如果用链条来形容虹吸现象也许还可以。假定用一个链条挂在一根很光滑的杆子上，当两边长度不等时，链条会自动滑脱，这时滑脱的原因是两侧重力不平衡所致。
但是用链条形容也有问题，链节是刚性的，缺少弹性，还不能受压缩，只能受拉力，用在连通器上也不够形象，因此本人想出了一个更加形象的比喻，那就是弹簧串模型说。
用弹簧形容液体受压产生内压更形象也更合理。我们可以设想，用手将一根弹簧按压在墙面上，这时弹簧受到的压力会传递到墙上，墙也有一个反向的力抵抗弹簧，同时弹簧也有一个推力抵抗手。两组力各自平衡并相等，弹簧受两端压缩的力，其内部的弹力相当于液体受到气压压缩之后产生的内压。
但是如果我们再施加一个外力，这个力是另外一个人给的，这个人顶住了我们的手向外拉。这时弹簧对墙面的压力会减轻，而我们手的压力没有变，它等于弹簧被减少之后的弹力加上这个人的拉力之和。如果这个人的拉力继续增大并等于我们手的拉力，这时弹簧会完全放松，对墙面的压力也会变为零，这时相当于托里拆利真空管，外部拉力相当于重力。
弹簧的弹力相当于液体内部的内压（压强产生的压力）作用在管壁和与大气压接触的界面上。这个弹簧模型可以加深理解液体内压的存在和产生的原因。液体并非绝对不可压缩而是可以轻微压缩的，理想状态仅仅是假设的。
单个弹簧可以解释内压，但是有高度（或者叫深度）的液体用弹簧串模型来形容更形象。一串弹簧有自身的重量，可以相加组合成一体，可以抗拉也可以抗压。当然用一根塔簧来比喻也可以更直观地表达重力叠加的作用。
这样我们就可以设想为在一根弯曲的管子里有一串弹簧连接在一起，它是否平衡静止决定于两端的长度是否相等，其内部也演绎着拉伸或压缩的故事。
如果虹吸管混入了气泡，相当于在弹簧串中间插进了弱小而且轻质的弹簧，它还是拉不断压不坏，但是改变了整体的重量密度分配，改变了拉力的大小的关系。
用弹簧串模型解释虹吸或连通器现象就可以暂时形象地避开大气压的影响了，更加直观。
以上是本人对虹吸以及连通器发生原理的新解释，首次提出在这两种装置中弯管中间的位置液体内部的内压是可以计算出来的一个确切值并使用了平均值计算方法的概念，运用这一概念可以成功解释一些常见问题，这是从另一个角度看待和分析常见物理现象的结果，理论可能还不够完善，欢迎指教。
天汉听涛
2018年9月
（全文完）
