做液体压强实验，学趣味物理知识

□文/南京市玄武高级中学 张军

1648年，帕斯卡做了一个著名的实验。他在一个桶里装满水，密闭起来，在桶盖上插入一根细长的管子，并将接口处密封。然后，他从楼房阳台向细管子里灌了几杯水，结果不可思议的事情发生了——桶被压裂了！小小的几杯水居然毁了一个桶？今天，我们便动手“玩”水，体验一下液体内部的压强。

静态的水，深度越深，压强越大

戴上一次性塑料薄膜手套，把手伸入水中，会立即感受到手套紧紧地贴在手上（图1），这是因为水的内部存在压强。游泳时，如果潜水深一些，就会感觉胸闷，甚至肋骨疼痛，这是因为在同种液体内部，深度越深，液体的压强就越大。如果在饮料瓶侧壁不同高度扎几个小孔，瓶里的水就会喷出来，而最下面的小孔喷出的水流最急（图2）。

图1

图2

借助压强计，我们能直观地看到压强大小的变化（图3）。压强计主要由4部分构成，蒙上弹性膜的探头、两端开口的U形管、连接探头和U形管的橡皮管、用来控制探头上橡皮膜朝向的皮带传动装置。U形管内注入一定量的水，探头、橡皮管与水面之间形成一个密闭空间。当探头的弹性膜受压时，U形管两侧液面就会出现高度差；受到的压强越大，液面高度差就越大。这样，就把看不见的“压强大小”转换成了可视的“液面高度差”。

图3

随着探头在水中的深度增大，很容易看到U形管两侧液面高度差也变大；在同一深度，改变弹性膜的朝向，发现U形管两侧液面高度差不变；如果放在盐水中，同一深度时，U形管两侧液面高度差会更大。这样，我们就可以总结出静止液体内部的压强特点：同种液体内部，深度越深，压强越大；深度相同时，密度越大，压强越大；同种液体的同一深度，向各个方向的压强相等。

帕斯卡做“裂桶实验”时，桶与上面的细管子组成了一个容器。虽然管子很细，容积较小，但是桶在液面下的深度很深，受到的压强便很大了，水对桶产生的压力远远大于水自身的重力。

这就给了我们一个启发，如果家中的洗碗池被菜渣堵住，我们就可以采用帕斯卡的方法，将一根细管子插入池孔，然后往管中注水，水池很快就通了。

正因如此，水坝底部要做得宽一些，让其更坚固，来抵挡深水处的压强。水中掺杂泥沙后，密度更大，相同深度处产生的压强也更大。在汛期时，防洪部门要持续监控水位，并做好相应的应急预案。土做的堤坝，在水压较大或浸泡时间较长时，水会进入坝体内，导致坝体松软、强度下降，还会有水渗漏，造成“管涌”现象，乃至决堤、溃坝。用混凝土建造大坝，强度要高出许多。像三峡大坝这样的超级工程（图4），除了靠增加宽度来增加强度，还要考虑到建筑材料、建造工艺、温度变化、水流冲刷、地基承受能力、泄洪朝向等多重因素，尽可能地延长坝体寿命。

图4 供图/视觉中国

自由潜水是水下极限运动，由于没有携带氧气瓶等辅助水下呼吸设备，人的身体和精神会面临多重危险和挑战（图5）。比如，水深超过一定限度，耳膜可能被挤破；水压会让血液滞留在心脏和大脑，难以流向身体；肺缩小，难以进行气体交换；血液如果挤进肺部，还会造成长期创伤；心率也会降到每分钟20次以下。从深水中上升时同样危险，尤其是接近水面时，毛细血管开始舒张，血液从大脑流向身体各处，会导致大脑缺氧，人很容易晕厥。法国潜水员曾创造113米的自由潜水纪录，可以说在生死之间走了一遭。

图5 供图/视觉中国

即使是钢铁做的潜水艇，一般也只能在水下小于600米的深度活动；如果想潜得更深，就必须采用耐高压材料和先进技术，否则潜水艇有被水压成一块钢板的危险。在水下700米的深度，甚至玻璃都会被压成粉末。

连通器原理

如果两个容器底部相通，装上同种液体且保持静止时，两个容器中的液面一定是相平的，这就是连通器原理。生活中的连通器有很多，比如U形管、过路涵洞等。船闸也是连通器，便于船只在水位不同的上下游间通行。

轮船过闸的基本原理如图6。上游和下游之间用两堵“墙”隔断，两堵“墙”之间形成一个叫“闸室”的“容器”。“墙体”的上部有工作闸门，底端有输水阀门。当船从上游驶往下游时，上游引航道与闸室之间的输水阀门打开，上游的水通过输水系统灌进闸室，直到闸室水面上升到与上游水位相平。这时，上面的工作闸门打开，船由上游引航道进入闸室，再将工作闸门和输水阀门关闭。接着，闸室与下游引航道之间的输水阀门打开，闸室内的水通过输水系统流入下游引航道，水位下降，直到与下游水位相平。然后，工作闸门打开，船进入下游引航道。如果船只从下游驶往上游，程序则相反。

图6

密闭液体对压强的传递

帕斯卡在1653年发现了一个规律，密闭的液体可以大小不变地向各个方向传递压强。如图7，密闭容器内装有液体，在活塞上施力可以给液体加压。在截面积为S1的小活塞上施力F1，就会产生大小等于F1/S1的压强。这个压强被大小不变地传递到大活塞S2，从而产生大小为F2的向上的压力。S2是S1的多少倍，F2就是F1的多少倍。水压机、液压传动装置、液压制动装置等都利用了帕斯卡定律，我们常见的液压千斤顶也用到了这个原理（图8）。

图7

图8 供图/视觉中国

我们可以用两个注射器、一根橡胶管来模拟液压机或液压传动装置。

在橡胶管内注满水，然后将橡胶管两端分别与两个注射器的乳头相连接，组成一个密闭系统。向内推动一个注射器的活塞压缩水，水就会大小不变地将压强传递到另一个注射器的活塞，从而推动这个活塞。可以用它托起重物（图9），也可以用于挤压物体、带动机械装置等。

图9

找个饮料瓶，在盖子上钻孔，刚好可以让注射器的乳头插进去。在瓶里灌满水，拧好盖子，然后将注射器里的水从盖子上的小孔注射进去，要用力，尽量把水往瓶子里压（图10）。这时，压强会传递到塑料瓶的内壁，并导致瓶子形变，向外膨胀。把注射器猛地拔出来，饮料瓶会迅速恢复原状，对瓶内水施压，水会喷射而出（图11）！

图10

图11

当液体流动起来又会发生什么

如果液体流动起来，压强会有新的规律吗？

1726年，丹尼尔·伯努利经过多次实验提出了伯努利原理，在稳定流动的流体中，流速越大的地方，物体与流体接触面的界面上的压强就会越小。气体和液体都属于流体，这个规律都适用。1912年，一场著名的海难让人们对伯努利原理的关注度骤升。这年的9月20日，45000吨的“奥林匹克”号邮轮正在驶往纽约的海面上，不远处，7350吨的“豪克”号巡洋舰在并排行驶。当两船靠得近一些时，“豪克”号突然不听舵手的操纵，冲向了“奥林匹克”号。最终，“豪克”号的船头将“奥林匹克”号的船舷撞出了一个大洞，酿成重大海难事故。

今天我们不难理解，两艘船平行前进时，两船之间的水比外侧流得快，导致压强比外侧小。在外侧水压力的“撮合”下，两船被逼“激情相拥”。“豪克”号的质量小，惯性小，运动状态更容易改变，所以以更大的速度贴向“奥林匹克”号。后来，人们把并排行驶的船会“自动”靠近的现象也称为“船吸现象”。

在家也可以模拟“船吸现象”。将两只玩具小船（或者小烧杯、塑料杯等）放在水面上，用注射器向两船之间的水面注射水流，两只小船就会靠近、相撞（图12）。如果你曾试图从水中爬上小船，就会有这样的体验——当手攀在小船边缘，用力让身体从水中向上运动时，你的下肢会被“吸”向船底。这是因为向上运动时，你的身体与船之间的水流速度加大，水压就会减小，你身后的水会将你压向船底。

图12

夏天来了，有人喜欢到湍急的河流中玩水，这是非常危险的举动。在靠近激流时，人和激流之间的水压小，身后的水会将人推向水中央。有研究表明，水流速度达1米/秒时，推力的大小可达到300牛，这相当于30千克物体所受的重力大小。