为什么饮水机上倒立的水桶不漏水？

生活里我们经常会购买桶装饮用水使用，超市里某品牌的大容量水桶也推出了可适用于饮水机的全新版本。每次将桶装水倒立插入饮水机的时候，你有没有思考过，平常倒水的时候，为什么倒立的饮水机不会漏水呢？今天我们就来聊一聊饮水机的力学原理——大气压强。

在历史上最早发现并证明大气压强存在的是1643年意大利科学家托里拆利进行的实验。托里拆利往一根1米长、一端开口、一端封闭的玻璃管内灌满水银，并用一只手指紧紧堵住玻璃管开口端并把玻璃管倒插在一个盛有水银的玻璃槽里，待开口端全部浸入水银槽内时将管子竖直固定后放开手指，在地球重力的作用下管内水银液面就开始下降，当玻璃管内部的水银液面和水槽中水银液面达到约为760mm高度时，汞柱则停止下降，此时实验中出现一个悬浮半空而不再下降的760mm汞柱高度现象。因为这么操作之后玻璃管内是真空的，所以实验证明了大气压强产生的压力跟760mm高汞柱产生的压力相当。这个实验是人类历史上第一次证明了大气压的存在，还测出大气压的数值的实验！

压强（英语：pressure），是作用在与物体表面垂直方向上的每单位面积的力（force）的大小，即是分布在特定作用面上之力与该面积的比值。压强可用任意之力单位与面积单位进行测量，压强的国际标准单位为帕斯卡（每单位平方米的牛顿）。压强 p 与力 F 和面积 S 的关系为：

当时仍然还有许多人不相信大气压，因此就有少数人在背地里嘲笑托里拆利，双方争论得很激烈，互不相让，针锋相对。1654年，德国物理学家、时任马德堡市长的奥托·冯·居里克听到这个消息之后非常生气，决定再次做一个能证明大气压强真实存在的力学实验。他设计了一对铜质空心半球，在实验中，实验者先将两个完全密合的半球中的空气抽掉，然后驱马从两侧向外拉，以展示大气压力的作用。

这个实验的原理也是大气压强，即抽气前，半球的外部压力和其内部压力等于大气压。但抽气后，半球外部压强大于其内部压强，并且半球内部近乎为真空。就好像大气压力“压”住了两个半球。所以这两个半球必须用较大的力才能拉开。“啪！”的一声巨响之后，马德堡半球最后用了十六匹马才拉开！这个实验巧妙地验证了大气压的存在，最初用于实验的两个半球保存于慕尼黑的德意志博物馆。德国邮政也发行过纪念这一实验的邮票。

马德堡半球实验证明了气压能够产生巨大的能量，在认识到压力的存在之后，人们开始寻求利用压力改变生活。比如抽水机，就是利用大气压的作用将水从低处提升至高处的水力机械。除此之外，这项实验也是蒸汽机和内燃机漫长发展道路上的一个重要节点，启发人们开始思考如何利用压力代替人类做工，在力学中，压力 F 做的功，就是气体压强 P 乘以活塞面积 A ，即

然后乘以距离 S 就是压力所做的功 W :

这便是蒸汽机和内燃机的基本工作原理。

简易式手压抽水机也是利用了大气压的原理，当我们向下压气囊时，气囊中的空气被压出并进入桶内，此时气囊内的几乎没有空气，气囊内的压强很小。当我们开始松开手时，桶内的压强很大，此时桶内压强大于气囊内压强，桶内和气囊内具有一定的压强差，产生了一个将水从桶内往上压的压力，就像是有一个神奇的力量把水反重力从下往上托起来一样，松手过程中，气压将把水压到气囊里，水接着通过出水管流出。

现在再回到我们一开始提出的那个问题——饮水机上倒立的水桶为什么能不漏水，是不是就有可以解释地思路和想法了呢？请大家动动脑筋自己思考一下吧！

[1]https://zhuanlan.zhihu.com/p/411860433

[2]https://www.zhihu.com/question/431965472/answer/1596736272

[3]https://zh.wikipedia.org/zh-hans/Wikipedia:马德堡半球

[4]https://zh.wikipedia.org/wiki/压强

[5]https://www.sohu.com/a/502529025_121238435#

[6]https://zhidao.baidu.com/question/578406941.html

[7]https://baike.baidu.com/item/托里拆利实验/525375

[8]https://www.bilibili.com/video/av18509472/?vd_source=947bf58bc887cb38383ba404b57c37c0

本文经授权转载自微信公众号：力学科普 作者：雨林

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编辑：nigo

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