为什么水龙头不能像茶炊那样可以让水自由回流

时间:2024-11-28 16:08:04

【题】如图所示,为什么水龙头不能像茶炊那样可以让水自由回流,而非要都安装成螺旋状呢?

为什么水龙头不能像茶炊那样可以让水自由回流

【解】有些人可能会认为不将水龙头安装成螺旋状,而是安装成回旋式的,即茶炊式样的会更为方便一些。但是当水龙头被迅速关闭,水管中的水流运动突然被停止,会导致管道系统出现危险的振动现象,也就是所谓的水压冲击。由此可见,回旋式的水龙头不能适用于家庭水道网,所以在现实中并没有那样安装。

杰伊什教授——水压学教科书的作者,把水压冲击同起步停车时火车车厢的冲击做了一下比较:

在火车制动时,第一节车厢的缓冲器会受到后面车厢惯性影响,直到所有的车厢都停止运动。然后前节车厢缓冲器的弹簧会被拉直,直到所有车厢都刹稳。受到压缩的缓冲器产生的冲击波会从第一列车厢传到最后一列。如果火车尾部有一辆重型蒸汽机机车,那么缓冲器的压力就会从该蒸汽机车转向一个支杆限动器装置。这样,振动就会逐渐减少,在阻力影响下慢慢停下来,从火车的一头传向另一头,循环往复。压缩后产生的第一次冲击波不仅对于第一节车厢冲击巨大,对于所有车厢的缓冲器弹簧来说其实都很危险。再来说说水龙头,尽管水的压缩性(即弹性)较小,但是我们通过关闭位于长水管尾端的水龙头而阻止前面的水颗粒运动时,后面的水颗粒会向前挤压,并对整个水龙头造成高压,这股高压类似于普通的波,会沿着管道以较大的速度往返运动,这个速度略小于声音在水中传播的速度。波达到水管始端(即水压贮槽)后又会导向水龙头那端;这样就会产生系列高压振动波,这些波遇到阻力后就会逐渐停止运动。但是最初产生的波不仅会对水龙头尾端造成危险,还很容易导致一些比较脆弱的零件炸裂以及水管始端贮槽附近的接口损坏。回波时产生的巨大压力可能是水管中普通流体静力学压力的60~100倍。

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整个水管道网会被水压产生的冲击力所损坏。这个冲击力常常会将生铁管道引爆,将铅制管道震损,将回转出的接头打掉等。而管道越长,这个冲击力就越强大,破坏性也越大。为了避免这些危害,应该使管道中的水流运动逐渐停止,也就是要慢慢地关闭水龙头拧住的管道口。管道越长,越应该将管道口的关闭时间放慢。

因为水龙头关闭得越快,产生的冲击力越强,所以水龙头冲击力的大小同管道的长度成正比,而同关闭水龙头所用的时间成反比。通过实验我们可以得出下面的这个计算冲击力大小的公式:

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冲击产生的压力等于水柱的高度,其中v表示水管中水流的速度(米/秒),l表示水管的长度(米),t表示关闭水龙头所用的时间(秒)。

假如,1米/秒是水管中水流的速度,1 000米是水管的长度,1秒是关闭水龙头所用的时间,那么水管中的压力大小在水压冲击的作用下就会增至:

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也就是增加了15个大气压。

装置如图所示,在实验中我们可以观察到整个水压的冲击现象。从盛有水的容器中将虹吸玻璃管向下导出,然后弯曲成水平。一个回转式水龙头H安装在管道尾端,一个带有小孔的支管S安装在尾端不远处。水会在水龙头关闭时,从支管中喷射出来,呈喷泉状,它的高度不会超过容器中水面的高度。但如果将水龙头打开后,再迅速关闭,那么相比容器中水面的高度,最初喷泉的高度是要高一些的。所以可以证实,管道中的压力要比流体静力学的压力大。

从一定高度上,当水落下时,水量越小,它所上升的高度越大。这就像杠杆一样,杠杆的一端被重物压下得越低时,杠杆的另一端则会上升得越高。由此表明,能量守恒定律此时还是适用的。

如图所示,一个特殊的自动扬水仪器装置,即“冲击扬水机”,根据水压冲击力的理论,就被设计出来了。

工作原理如下:关闭阀门U,自动扬水机就会开始工作。此时,管道F中会形成水压冲击,冲开阀门Z,W中压缩的空气向下施压,水就会通过管道R流向高处的容器;当W中向下的压力消失后,阀门Z关闭,阀门U打开;接着,管道F的水流又会重新关闭阀门U,再次形成水压冲击……如此循环往复,将水带向高处的容器。

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最简便也是最实惠的供水装置——冲击扬水机。即使是投产运行多年,该装置也基本不需要维修保养,在一昼夜的时间,有的冲击扬水机能将水压送至100多米高,有的甚至能压送25万升水。

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