虹吸展品现象讨教

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虹吸展品现象讨教

进了一个新公司，让我画了一个名叫虹吸展品的图纸，画好后始终对其展示的原理有些疑惑，现在特地向各位高手求教。展品大概图纸见图1，现在给各位作个大致介绍：

在图1中，有三个大小相同的容器A、B、C，容器B上部封闭，容器A和C上部都和大气联通，三个容器下部用密封软管连接如图1所示，连接出入口内径见图标注，三个容器中，B和C位置固定，A可以上下移动，其中容器B内腔最低处不低于容器C最高处，容器A移动到最高处后，内腔最低处不低于容器B最高处，容器A移动到最低处后最高处不高于容器C内腔最低处。

现在向容器A注入一定的水量，然后移动到最高处，水会顺着密封软管流到容器B，当水位高于图1中的P1线时，容器B中的水又会顺着密封软管流到容器C,当C中流入一定水量后，移动容器A到最低处，见图2，此时容器C中的水会通过容器B流向容器A，如果把容器A又移动到最高处，容器A中的水又会通过容器B流向容器C，而在水的这两种流动过程中，容器B中的水位始终是不低于P1线的，整个展品展示的就是这种现象。

现在问题来了，在图2中，容器C中的水为什么能够通过容器B流到容器A？

因为展品的名称叫做虹吸，所以我查了虹吸现象的介绍，其原理示意见图3，在图3中，如果两个敞口容器D和E有水位差h1,那么水位高的容器E中的水可以通过一根管子自动流到容器D中，当然，管子中的最高水位与容器E中的最高水位差h2要小于大气压所能支撑的水位高度，同时，管子中的气体必须先设法吸除。

对照图3所示的虹吸原理，我们可以看出图2的情况与虹吸条件并不相符，因为图2中若把容器B和两根软管看成一个整体，那么这个作为整体的管子里面，在容器B水面以上是存在空气的，在这种情况下，水仍然能从容器C流到容器A,其中的道理怎么解释呢？当然，从这个角度看，还并没有说明虹吸现象有什么问题，因为符合虹吸条件，水会从一个容器流到另一个容器，但是没有说不符合虹吸条件，水就不会从一个容器流到另一个容器，在其它某种条件成立下，即使这个条件不符合虹吸原理条件，水也有可能从一个容器流到另一个容器。

但是，如果我们对图2中的两个部分分开分析，就会发现还有更大的问题。在图2中，容器B中的水流到容器A中没什么问题，水位高，水面上都有空气，很容易理解，但是容器C中的水流到容器B就让人费解了，容器B中水位高，而且容器B和C水面上都有空气，完全符合虹吸现象的条件，水流动的方向应该是从容器B到容器C,但实际情况为什么是相反的呢？

虹吸现象及条件经过了无数试验和实践的验证，其有问题的可能性是很低的，因此更有可能的情况是这个现象中的情况和虹吸现象的条件有细微的差别，这些细微的差别导致了这个展品展示的现象不能完全用虹吸现象来解释，要想解释这种现象，就必须找出这些细微的差别，然后用比虹吸现象更深一层的液体压强相关知识对其进行阐释，并将其和虹吸现象的解释统一到液体压强这个层面上来。

经过思考，我对图2中的现象想到了以下解释：

在容器B中，由于水面高出B和C连通的水口高度P1线，所以在容器B水面的下方，相当于构成了一个密闭的通道，于是在局部具备了虹吸现象的所有条件，虹吸现象得以发生，容器C中的水通过容器B水面下方的这个密闭通道不断流动到容器A。

同时，我又做了以下一些试验：

1.        如果开始就同时向容器A和C注水，然后抬高容器A，使容器B中流入一定水量,但是不要让容器B中的水面超过P1线，此时再把容器A放下来，让其水面低于容器C的水面，见图4，此时容器C中的水就不会通过容器B流到容器A。

2.        在上面1所述的基础上，我再把容器A抬高，让其水面高于容器C的水面，但低于容器B的水面，见图5，水同样不会从容器A通过容器B而流到容器C。

3.        如果我把容器B接到容器A和C的接口用软管调换一下，并让容器A处于高位，见图6，此时容器A中的水会不断地流到容器B,容器B中的水会不断地流到容器C,但容器B中的水始终不能超过P1线，因为容器B中的最低水位高于容器C中的最高水位，而容器C上部是和外界联通的，水位超出容器C的最高点后会溢出容器C。

4.        在上面3所述的情况下，把容器A放下来，使其中水位低于容器C中的水位，见图7，在这种情况下，容器C中的水不会通过容器B流到容器A。

5.        在上面3所述的情况下，把容器A放下来，使其中水位高于容器C中的水位，但是低于容器B的最低处，见图8，在这种情况下，容器A中的水不会通过容器B流到容器C。

通过这几个试验，我分析认为，发生虹吸现象的条件可以放宽，就是即使在密闭管道中有空气存在，但是空气只要没有把水路完全隔开，虹吸现象就能发生，如图2所示，但是一旦空气把水路完全隔开，虹吸现象就无法发生，如图4、图5、图7、图8所示。

根据这样的分析，我设想了以下一些情况，见图9到图14。

1. 在图9中，和图3情况类似，唯一不同的是管路中有一个气泡，但是该气泡并没有完全阻断管路中的水联通，在这种情况下，敞口容器E中的水应该能够流动到敞口容器D中。

2. 在图10中，和图9的情况类似，唯一的区别是管路中的气泡完全阻断了管路中的水联通，在这种情况下，敞口容器E中的水应该不能流动到敞口容器D中。

3. 在图11中，容器A和容器C中的水位都比容器B中的水位高，容器A中的水位又比容器C中的水位高，同时容器B中的水位超过了P1线，在这种情况下，容器A中的水应该通过容器B流到容器C中。

4. 在图12中，和图11类似，容器A和容器C中的水位都比容器B中的水位高，但容器C 中的水比容器A中的水位高，同时容器B中的水位超过了P1线，在这种情况下，容器C中的水应该通过容器B流到容器A中。

5. 在图13中，容器A和容器C中的水位都比容器B中的水位高，容器A中的水位又比容器C中的水位高，但容器B中的水位没有超过P1线，在这种情况下，容器A和容器C中的水都应该向容器B中流动，当容器B中的水位超过P1线时，情况应该会变成图11或图12中的一种，但会变成哪种我不敢断定，需要做试验。

6. 在图14中，容器A和容器C中的水位都比容器B中的水位高，容器C中的水位又比容器A中的水位高，但容器B中的水位没有超过P1线，在这种情况下，容器A和容器C中的水都应该向容器B中流动，当容器B中的水位超过P1线时，情况应该会变成图11或图12中的一种，但会变成哪种我不敢断定，需要做试验。

与此同时，我的同事还告诉我，说以前的展品三个容器都是敞开的，中间的容器固定不动，两边的容器都可以上下移动，水也可以在其中来回流动，根据他的叙述，我设想了图15和图16。

1.        在图15中，和图1类似，只不过容器B上部也和大气联通，容器C也像容器A一样可以上下移动，在这种情况下，容器处于图15的位置时，容器A中的水应该依然可以通过容器B流到容器C。

2.        在图15的情况下，如果把容器A移动到下面，把容器C移动到上面，就会形成图16的情况，在这种情况下，容器C中的水应该也可以通过容器B流到容器A，但是容器B中的水位应该始终不能超过P1线，这种情况和图6的情况有相似之处。

但是，在容器B上部也和大气联通的情况下，我认为要让水可以在容器A和容器C中来回流动，容器C是不能固定的，见图17和图18。

1.        在图17中，容器A中的水通过容器B流到容器C应该是没有问题的，这种情况和图15的情况实际上是完全一样的。

2.        在图17的情况下，把容器A移动到下面，就会形成图18的情况，由于此时容器C是固定的，其中的水位无法超过容器B中的水位，又由于容器B上部是和大气联通的，在这种情况下，容器B中的水位由于高于容器A和C中的水位，容器B中的水应该会流到容器A和容器C，这种情况和图7的情况有相似之处。

最后我作出以下总结：

如果图9到图18的分析能够得到实验的验证，那么可以得出结论：

1.        产生虹吸现象的严格条件虽然如图3所示，但在图9的条件下虹吸现象也仍然能够发生，此时虽然管路中有空气，但是空气并没有完全阻断水的流通，而如图10所示，如果空气完全阻断了水的流通，则虹吸现象无法发生。

2.        不论管路中是否有空气，管路必须密闭，在这种情况下虹吸现象才能发生，如果管路和大气联通，管路中的水又比两端容器中的水位高，则管路中的水将流回容器，如图18的情况。

3.        在管路密闭，管路中的空气又阻断水的流通的情况下，虹吸现象不能发生，在这种情况下，即使管路中的水位高于两端容器，管路中的水也不会完全流回两端的容器，因为水在向两端容器流回过程中管路中的空气体积会变大，压力会变小，因此管路里的水在两端空气压力达到平衡的位置会停下来。这是图7和图18的区别。

4.        在这个展品中，如果容器B密闭，其中水位高于P1线，那么只要容器A中的水位高于容器C中的水位，水就会从容器A通过容器B流向容器C，而只要容器C中的水位高于容器A中的水位，水就会从容器C通过容器B流向容器A。

如果容器B密闭，其中水位低于P1线，那么若容器B水位高于容器A和容器C的水位，则不论容器A和容器C中水位谁高谁低，水都只会从容器B中的两个管口中下降一定高度后停止流动。若容器B中的水位低于容器A和容器C中的水位，则不论容器A和容器C中的水位谁高谁低，水都会先从容器A和C中流向容器B，直到容器B中的水位超过P1线，然后再从容器A或C中水位高的容器通过容器B流向另一个水位低的容器。若容器B中的水位高于其中一个容器的水位，而低于另一个容器的水位，那么高于容器B水位的容器中的水会流向容器B，若水位低于容器B的容器接的是容器B的高位管口，则容器B中的水无法流向低水位容器，若水位低于容器B的容器接的是容器B的低位水口，则容器B中的水流向水位低的容器。

如果容器B不密闭，则不论哪种情况，都可以把容器B和A、容器B和C当作单独的两个联通器来分析其中水的流向。

写完这篇求教帖子，自己心里的一些疑惑实际上也已经得到解释，基本上能肯定自己的分析是正确的了，但是毕竟帖子中所列的图9到图18的情况都没有经过实验验证，所以还是希望对这种现象有研究的高手，或者有条件对这几种情况进行实验的网友能够对自己的分析给予肯定和验证。

在写作过程中，我还感到一个人是多么容易受到前人固有知识和经验的束缚，而在遇到新情况时难以挣脱，正是因为自己在一开始严格按照通常的虹吸现象的条件来分析问题，所以在思想和情感上始终不能接受这个展品中展示的有所变化的虹吸现象，因此对其中的矛盾之处总觉得不能释怀，于是变得更加疑惑。同时，我还再次感到科学和技术所取得的每一点进步都是多么不容易，就这么一个简单问题的讨论，自己都画了这么多的图，写了这么多的文字，而且出于对时间和精力的考虑，还有好多种情况和分析自己都不得不省掉了，那么我们现在生活享用的各种丰富便捷的产品，不知道是千千万万的科学家、工程师、技术工人突破了多少次固有知识和经验的束缚，付出了多少劳动才创造出来的。在最后，让我向所有为人类科技事业作出贡献的人们致敬！

因为图是用CAD画的，所以没法传上来，有愿意帮助解答的朋友请把邮箱发给我，我会把图传过去的,我的邮箱是qianxingxujing@sohu.com。