【题】虹吸现象会在真空中发生吗?
【解】许多人——包括一些学生、中学教师,甚至一些较高级的专家,都十分肯定地认为真空中是无法利用虹吸作用来促使液体流动的。大多数中学教科书和相当一部分大学的教科书,都认为大气压是造成液体虹吸流动的唯一原因。
但实际上这是物理学上的一个偏见。“真空中的液体在虹吸作用下流动更典型。原则上液体虹吸现象的发生与大气压力毫无关系。”这是波里教授在他1930年所写的《力学和声学》一书序言中的观点。
如何在抛开大气压力影响的前提下来解释一下虹吸现象的原理呢?我在1927年所著的《技术物理学》一书里对此做了一些相关的论述(如图):
因为虹吸管右半部分的液体柱长些,因此也就重些,所以它就会牵引液体并迫使液体不停地流向玻璃管的长端。通过与滑轮两端的绳子的对比可以很直观地理解这种现象。
可以观察一下,在我们所研究的现象中大气压是扮演什么样的角色呢?大气压只能阻止液体柱从虹吸管的管壁中流出,维持着液体的连续性。但是我们不需要任何外力,一些所熟知的条件也可以维持液体的整体性。比如说液体的内聚力就是其中之一。
在没有空气的环境下虹吸作用通常都会停止,尤其是当虹吸管顶端处产生了空气泡。但是,如果在玻璃管壁上没有一点空气痕迹,并且容器中的水与容器之间的摩擦力为零,仔细观察就会发现在真空中虹吸现象也会发生。在这种情况下是水的凝聚力阻止了水柱断裂。
在《力学和声学序言》这本著作中,波里教授更是明确地写道:“在初等教程里经常把大气压力当作虹吸作用产生的原因。在某种前提下这么说也是正确的。虹吸作用的原理与大气压没有一点关系。”在对比滑轮两侧绳子的例子时,波里教授这样说道:“这也同样适用于液体,它们也像固体一样有内聚力。液体内部是极少存在气泡的……”还描述了通过虹吸作用促使液体流动的试验,其中两个负荷活塞或者另外一种小密度液体的压力代替了大气压的角色,这种条件下,即便水柱中含有空气,液柱也不会被它们的压力切断(见图94黄油中的汞柱虹吸试验)。这一点已经在月球上进行的实验中得到了证实。
公元前1世纪,亚历山大时期的一位理学家和科学家——格伦,曾对虹吸现象的这一原理进行了解释。虽然两千多年前的解释在表达方式上与现在可能有所不同,但是本质上却是一致的。因为当时的格伦并不知道空气是有质量的,所以他并没有陷入现代物理学家们的误区之中。但他的原话对我们是很有借鉴意义的:
如果虹吸管外部管口和容器中液面处在同一水平面上,那么虹吸管中的水就不会流动,尽管里边充满了水。就像在天平上一样,水在这种情况下受力平衡。如果虹吸管外部管口低于容器中水的液面,水就会从虹吸管中流出,因为BC段水柱的质量比AB段水柱质量大,AB段水柱就会重些,也就会牵引AB段水柱移动(如图所示的格伦著作中的虹吸现象)。
同时,格伦也预料到会有反对意见:假如虹吸管较短的管壁直径足够大的话,水向短管一侧流动的结论也可以用同样的解释方法得出。