有趣的吸管“閥門”

生活中用到閥門的地方比較多，比較常見的有自來水閥門、燃?xì)忾y門、熱水器閥門等。它們能讓流體在需要時(shí)流動(dòng)，不需要時(shí)則停止流動(dòng)，以保證安全和節(jié)約資源。學(xué)習(xí)了氣體和液體的壓強(qiáng)，我們可以把吸管作為閥門，用飲料瓶做個(gè)出水玩具（圖1）。

制作過程

找一個(gè)密封性好的空飲料瓶，分別在瓶蓋上和瓶的外壁適當(dāng)位置打孔，保證孔的大小剛好可以插入一支吸管。注意：孔與吸管要接觸緊密，不能漏氣。有必要的話，可以在接觸處用膠帶、膠水或熱熔膠密封（圖2）。

用手或膠帶將水平的吸管口（出水口）堵住，往瓶里加滿水，然后把插有吸管的瓶蓋擰緊，這支豎直的吸管就可以作為閥門使用了。當(dāng)“閥門”下端的吸管口在水平吸管的上方時(shí)，水可以從出水口流出；當(dāng)“閥門”下端的吸管口在水平吸管的下方時(shí)，水則停止流出。

原理分析

如果在瓶里裝上水， 擰緊瓶蓋， 此時(shí)瓶內(nèi)水面上方的氣壓和外界大氣壓相等，記作p0。水面到瓶身小孔的豎直高度為h1，水對(duì)瓶身小孔產(chǎn)生的壓強(qiáng)為p1，則p1=ρ 水gh1。瓶身小孔內(nèi)側(cè)受到的總的壓強(qiáng)為p1+ p0，顯然大于外界氣壓p0，這時(shí)水就會(huì)從小孔流出（圖3）。

隨著水的流出，瓶內(nèi)水面上方的空間變大，氣壓減小，同時(shí)水面下降導(dǎo)致小孔在水面下的深度減小，水對(duì)小孔的壓強(qiáng)也減小。此時(shí)，存在一個(gè)水面到小孔的豎直高度為h2， 水對(duì)小孔的壓強(qiáng)p2=ρ 水gh2 與瓶內(nèi)水面上方的氣壓p0′ 之和等于外界大氣壓，即p2+ p0′= p0，此時(shí)水將不再流出（圖4）。

如果從瓶蓋插進(jìn)一截吸管，則上端的吸管口受到的空氣壓強(qiáng)也為p0。下面的吸管口在水面下深度為h3， 且h3 ＜ h2，則水對(duì)吸管口向上的壓強(qiáng)p3 ＜ p2，故p3+p0′ ＜ p0，所以空氣將從上端的吸管口被壓進(jìn)吸管內(nèi)的水中，導(dǎo)致瓶內(nèi)水面上方的氣壓p0′ 增大。這時(shí)，p2+ p0′ ＞ p0，水又將從瓶內(nèi)流出（圖5）。

相反，如果豎直的吸管下口在水面下的深度h4＞h2，則p4+ p0′＞ p0，外界空氣便不會(huì)被壓入水中，水平吸管的兩端所受壓強(qiáng)依然相等，維持p2+ p0′= p0的狀態(tài)，水便不會(huì)流出（圖6）。

這樣，豎直插入的吸管便成了控制水流的“閥門”。只要“閥門”下端在水下的深度小于出水口的深度，水就會(huì)流出；“閥門”下端在水下的深度大于出水口的深度，水便會(huì)停止流出。照此分析，作為閥門的吸管不一定非從瓶蓋插入，也可以安裝在其他部位，比如從側(cè)壁插入。而且，不同形狀的塑料瓶都能制成類似裝置（圖7）。向下壓“閥門”，讓瓶內(nèi)的那一端位于出水口之上，水就會(huì)從出水口流出；向上抬“閥門”，讓瓶內(nèi)的那一端位于出水口之下，水停止流出，操作更為簡便（圖8）。

為了讓吸管與瓶壁緊密接觸，建議采用以下方法打孔：先用錐子在瓶壁扎一個(gè)小孔，然后用粗細(xì)適中的螺絲釘從小孔向瓶內(nèi)擰，小孔就會(huì)慢慢變大。等到孔徑比吸管外徑略小一點(diǎn)兒的時(shí)候，迅速將吸管硬塞進(jìn)小孔。塑料因摩擦生熱會(huì)變軟，吸管能比較容易地?cái)D進(jìn)小孔里。隨后，吸管便會(huì)緊緊卡在小孔中，剛才被螺絲釘擠走的塑料也會(huì)在瓶內(nèi)緊緊包裹住吸管，這樣可以做到滴水不漏（圖9）。

最后，請(qǐng)大家思考一下，這樣的吸管“閥門”可以應(yīng)用到什么地方？