生产、生活中的联通器

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  人类社会已经进入了信息化时代,人们在生产、生活中使用的机器、器械的种类越来越多,构造日趋复杂.在种类繁多的器械中,有一种结构及原理都极其简单、应用极为普遍的器械,它就是“联通器”.本文对生产和生活中的连通器进行简要分析.
  连通器定义:上端开口底部相连通的容器.
  联通器性质:联通器里的水(密度均匀的液体)不流动时,各个容器里的液面总保持相平.
  证明如图1所示,设想U形管底部有一液片AB,截面为S,由于液片静止,所以左右两边的压力相等,F左=F右 ,由F=pS得p左=p右,即ρgH左=ρgH右,所以H左=H右 ,即液面相平.
  联通器最著名的应用是船闸,它解决了由于水库大坝阻断航运的问题,如图2是我国长江三峡的船闸,它是世界上最大的船闸,双线五级,全长6.4 km,落差达113 m.
  事实上,连通器在生产生活中的应用十分广泛.如图3所示,茶壶、茶炉的“水位计”、自来水系统、涵洞都是联通器.不过需要特殊说明的是:很多教辅用书中关于茶壶的壶口、壶嘴高低的讨论,犯了同一错误:“因为联通器里的水不流动时,各个容器里的液面总保持相平,所以壶口、壶嘴一样高”;但是生活中所使用的茶壶、酱油壶、咖啡壶等壶具的壶嘴略低于壶口,这样设计是合理的,如果壶嘴、壶口相平,由于壶嘴较细,流量小,向外倒水时,水易从壶口溢出;壶盖上的小孔,其作用是:一旦壶盖封闭的过严,小孔仍然与大气相同,使茶壶仍然满足“联通器”条件,水容易倒出;关于茶炉水位计,要及时清理与炉体相连的管道,一旦被水垢堵塞,(已经不是连通器)就不能正确指示水位了;自来水的水塔要高于它供水的所有楼层,偶尔遇到一、二楼有水,但是五、六楼没水,就是水塔里的水面低于五六楼高度的缘故;涵洞解决了水道与道路交叉的问题.
  另外实验室里,水槽下的U形管、地漏下的弯管等都是联通器,有水流过U形管时,会在U形管里留下一段水柱,形成一个常闭的阀门,即阻止下水道的浊气上升,又随时允许水池、地面的废水通过.充分体现了设计师的聪明才智.其实座便器底部(如图4)也是一个联通器,其作用与U形管相同.
  城市建设的排水系统也是一巨大的连通器,依据联通器原理,最后一个排水口,要比马路边的所有的排水口都低,才能实现顺利排水.
  沼气池的进料口、出料口、发酵间构成一个联通器,沼液封住进料管、出料管,使沼气进入储气间,同时不影响进料、出料.
  随着科学技术的发展,养殖业逐步实现了自动化,养牛业用的自动喂水槽如图5,就是依据联通器原理设计的,当喂水槽B水面下降时,控制槽A的水面同时下降,浮子下降,通过杠杆使进水阀打开;当水面上升时,浮子上升,到达设计高度时,进水阀关闭.
  特殊的联通器:虹吸(如图6),黄河的河套地区,农民浇地时,把一根长长水管灌满水,一端放入黄河,另一端跨过河堤再放开出口,水就自动流出,这是因为左边液面到出水口所在平面的压强:p左=ρgH,右边的液面到出水口所在平面的压强为:p右=ρgh,因为H>h,所以p左>p右,水从压强大的一侧沿着管道流向压强小的一侧.
  综上所述,联通器与人们的生产、生活息息相关,了解联通器原理,会给你的生产、生活带来方便.例如,汽车司机经常用“虹吸管”从汽油桶中抽取汽油;建筑工人常用长长的透明水管(实质是联通器),测量距离较远的两点是否在同一水平面或测出两点高度差;如果遇到地漏“反味”,是地漏下面U形管里的水已干涸,往地漏内倒一些清水,马上就能消除“反味”现象.
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