我们能否制造这样一个容器:即使水在往外流,容器里的水位在不断降低,水流速度也不会变慢,依然保持均匀呢?

时间:2024-06-25 22:59:04

那么我们能否制造这样一个容器:即使水在往外流,容器里的水位在不断降低,水流速度也不会变慢,依然保持均匀呢?通过上面几个章节的分析,大家可能会说,这样的容器是根本无法制造出来的。

我们能否制造这样一个容器:即使水在往外流,容器里的水位在不断降低,水流速度也不会变慢,依然保持均匀呢?

图 马里奥特容器构造示意图。

实际上,有一种容器完全可以满足上面的要求。 图 画的就是这种神奇的容器。这是一个造型很普通的窄颈瓶,从它的塞子穿过一根玻璃管。打开玻璃管下方的龙头C,瓶中的液体就会均速往外流,直到瓶里的液面高度降到与玻璃管下端一致为止。如果把玻璃管放在和水龙头差不多高度的位置,虽然水流会很细,但容器内的全部液体都可以均速流出。

这是什么原理呢?我们来分析一下:把龙头C打开之后,容器里发生了什么变化。首先,水会通过龙头流出来,而容器里面的液面高度会下降,会降到玻璃管的下端。水继续往外流,水面也随之继续下降,外面的空气会通过玻璃管进入容器内部。空气在水里产生了气泡,并在容器中的水面汇聚。这时,B处水平面的压力就等于大气压力。换句话说,因为容器内外的大气压力相互抵消了,所以只有在BC那一层水的压力作用下,水才会从龙头C流出。这样一来,因为BC层的水位高度是不会改变的,所以水从龙头C流出来的速度也是不变的。

那么,再追问大家一个问题:如果装在玻璃管下端水平位置的塞子B被拿走的话,水能流多快?

答案是水根本不会向外流(当然,水不会外流的前提是这个孔非常小,小到根本不用去计算它的直径。否则的话,在和孔直径一样厚的那一薄层水的压力作用下,水也是会往外流的)。因为这个位置所受到的内外部压力与大气压力是一样的,所以并不存在什么能迫使水往外流的力量。

如果高于玻璃管下端的塞子A被拿走,情况又会不同。水不但不会往容器外流,外面的空气还会趁机进入到容器内部。这是为什么呢?原因很简单,外面的空气压力要比容器内的空气压力大。这种具有特殊性质的容器是物理学家马里奥特设计出来的,所以这种容器也被称为“马里奥特容器”。