虹吸
虹吸（siphon或syphon）是一種流體力學現象，可以不借助泵而抽吸液體。處於較高位置的液體充滿一根倒U形的管狀結構（稱為虹吸管）之後，開口於更低的位置。虹吸管兩端液體的重量差造成液體壓力差，液體壓力差能夠推動液體越過最高點，向低端流動。
關於虹吸管如何使液體逆重力向上流動，而無需泵送，僅靠重力驅動，目前有兩種主流理論。幾個世紀以來，傳統理論認為，重力將液體拉向虹吸管出口側，導致虹吸管頂部壓力降低。然後，大氣壓力能夠像氣壓計或吸管一樣，將液體從上部儲液罐推入虹吸管頂部的低壓區，然後向上流動。然而，已有研究表明，虹吸管可以在真空中運行[1][2]，並且其流動高度可以超過液體的氣壓高度。[1][3]因此，人們提出了虹吸管運行的內聚張力理論，該理論認為液體以類似於自我虹吸珠的方式被拉過虹吸管。[4]
現代所有已知的已發表理論都認為伯努利方程式是對理想化的、無摩擦虹吸操作的合理近似值。
中國古代酒器九龍杯即是利用虹吸原理製成。
機制
在虹吸管的上端開口處（A），向管內的壓力為上端水受到重力往管口浸入位置處推擠所形成的容器液壓；向外的壓力則為上坡段液柱產生的壓力。前者大於後者時，液體被從上端容器推進管口流到下端容器，形成虹吸[5]。而液體壓力差是由液體向出口端落下引起，即C點重力向下導致B點負壓，然後液壓差配合大氣壓力推動液體流動。在通常情況下，虹吸現象的驅動力是大氣壓；但是在特殊情況下也會有其他原理成為驅動力。在實驗室條件下，一些虹吸管被用於在真空環境下展示，表明液體的抗張強度有一定貢獻。
最常見的虹吸現象使用水作為虹吸液，不過試驗中也經常使用水銀，其他物質例如有機溶液，甚至二氧化碳都可以被用於虹吸實驗[6]。
停止條件
虹吸上升階段和氣壓錶原理相類似，氣壓推動液體向上進入管道中壓力較低的頂端部分。由於原理相似，虹吸管內部液體所能上升的最大高度和氣壓錶是一致的。上坡高度增加，管口向外的壓力也增加；到與重力產生之容器液壓平衡的時候，虹吸管的最高處會產生部分真空，進一步導致液柱坍塌，虹吸現象停止。
另外，如果虹吸管兩端容器液面達到相等高度，虹吸現象也會停止。
其他現象
水族箱換水
把一條水管先充滿水（ 須確定充滿，不可留空氣 ），並分別用左右手的手指堵住兩端管口，一端放在水族箱的水中，一端放在比較低的水桶內，然後先鬆開水族箱中管口的手指，再鬆開水桶內管口的手指，水族箱中的水因被大氣壓推著，加上高度差，便啟動虹吸現象而形成連續流動流入桶內。
如果有加裝泵 ( ㄅㄥˋ ) 的水管，就不必事先充滿水，直接將空的水管放入兩端容器，按壓泵產生壓差，迨水吸入管中而持續虹吸後，即可停止按壓泵。
汽機車油箱抽油
原理同上。
咖啡壺
當虹吸管兩端都在重力作用下，液體從高端向低端流動。然而，如果低處出口被密封同時加壓，液體也會從低端向上流動。
例如，虹吸式咖啡壺及摩卡壺是藉由酒精燈加熱下壺的清水，當清水沸騰後產生氣體，增加氣壓，此時上壺的氣壓比下壺低，下壺便將沸騰的清水虹吸至上壺的咖啡粉萃取咖啡。當下壺的水全部推至上壺後，下壺幾乎是空的即停止加熱，迨空的下壺漸漸冷卻後，下壺的氣壓降低，上壺已泡好的咖啡汁液便自動流入下壺。
沖水馬桶
沖水馬桶下方的排水管為 S 形管（ 存水彎 ），其設計結合連通管原理，使馬桶在靜止狀態下，管內維持充滿水的狀態，並在桶槽中形成一定高度的水面。此水面低於 S 形管的最高點，因此水不會自動流出，達到靜止平衡。（ 這段保留在管內與桶槽中的水稱為「水封」，也就是我們看到桶槽中的那一池水，其作用是阻隔通往化糞池或下水道的臭氣、有害氣體及部分微生物進入室內。）
當按下沖水閥紐時，水箱中的水會迅速大量流入桶槽，使水位瞬間上升並超過 S 形管的最高點，同時將管內空氣排出，形成連續水柱，進而啟動虹吸現象。在虹吸作用下，水流會持續被出口端向下拉動，使桶槽中的水與排泄物被快速帶走。當水量減少、空氣重新進入管道後，虹吸現象即停止，系統回到原本的靜止狀態，並再次留下水封。
地下虹吸
當地下暗河的河道突然變窄時，水流速度變快，這種現象稱為地下虹吸。[7]
參見
參考資料
- ^ 1.0 1.1 Boatwright, A.; Hughes, S.; Barry, J. The height limit of a siphon. Scientific Reports. 2015-12-02, 5 (1). Bibcode:2015NatSR...516790B. ISSN 2045-2322. PMC 4667279
. PMID 26628323. doi:10.1038/srep16790. 已忽略未知参数|article-number=(帮助) - ^ Michels, John. Science. American Association for the Advancement of Science. 1902: 152 [15 April 2018] –通过Internet Archive.
duane siphon 1902.
- ^ YouTube上的Water Flowing Up 24 meters Not Magic, Just Science! Gravity of Life (Part3)
- ^ YouTube上的Amazing Slow Motion Bead Chain Experiment | Slow Mo | Earth Unplugged.
- ^ Bonnie Malkin in Sydney, "Physicist spots 99-year-old mistake in Oxford English Dictionary （页面存档备份，存于互联网档案馆）", 每日電訊報, 11 May 2010.
- ^ 二氧化碳虹吸 - Youtube. [2017-10-03]. （原始内容存档于2017-06-24）.
- ^ 张恩台. 自然：大自然的小卫士. 崧博出版事業有限公司. 2017-01-28.
外部連結
- The Straight Dope: How Does A Siphon work?（页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Pnematics of Hero of Alexandria - Interesting Applications of Siphons
- QUT physicist corrects Oxford English Dictionary （页面存档备份，存于互联网档案馆）