水这东西,真不是靠凭空想象就能琢磨清楚的。大家平时总认定水压是个抽象的力,要么是地心引力扯的,实际上不然。一旦你想象成一股流淌的河,要么被压缩的气筒里的气,那这张图就立住了。
你想想,那根插在井里的大管子,往上冒的水柱,那层悬停在水里的肥皂泡,就连是你脚踩上去踩出了个坑,这些视觉上呈现出来的情景,实际上就是压力在打架。 当水静止不动的时候,压力是由周围的流体“托”起来的。
要是你站在水里,水面上的空气顶着水,水的重力又往下赶,最终稳稳把你压住,这就叫静水压力。
这时候的水,分子之间挨得挺近,互相“挤”着,就像一群挤在窄巴走廊里的人,彼此都有点摩擦,故此水是有重量的,也是有压力的。
可是,要是这水启动动了,比如你在等电梯的时候,要么你拿着那个水枪往墙壁上泼,情况就全变了。
这时候压力就不只是水自己重了的难题,而是你这一桶水,加上你手里那桶水,下面这一百斤水,加上上面这一百斤水,上面那一百斤水……加起来,一层一层往下压,直到你脚底那个坑被填平了。 大量人当作压强的单位是“牛顿”,实际上是错的,那是力的单位,压强才是力的密度。单位应当是“帕斯卡”,咱们俗称的“帕”要么"Pa"。
比如我那个例子,一桶水重 10 千克,底面积是 1 平方米,那这水对桶底的压力就是 10000 牛顿。但这只是压力,除以面积,拿到的压强就是 10000 帕斯卡。
要是把这个桶放在一个 100 平方米的平地上,那压强就小多了,只有 100 帕。
这就好比你一个人站在一个小镇广场上,和一群人挤在一个小胡同里,别看大家腿都粗了,但感受到的那种“被踩”的感觉彻底不同。 这里还有个挺有意思的现象,叫“连通器原理”。
你想想家里那两根弯弯曲曲的下水管,不管家里有多少个水龙头开着,不管楼下有多少个马桶在冲,只要管口都伸到同一个池子里,池子里的水一直面平的。
这是为啥呢?出于水往低处流,直到两边的压力平衡了。
要是左边低了,水就往右边流;要是右边低了,水就往左边流,直到两边压力一样大,水才停住。
这时候,两边管子里的水深是一样深的,但压强也是一样的。
这就像两根绳子一样,甭管多细,只要挂着同一个重物,它们承受的拉力就是一样的。 说到这个,我想用个更生活化的例子。假设你在海边,中午爬到沙滩上,脚底会陷下去一块。
这时候你脚下的压强是多少?你身上穿的鞋、你脚上穿的袜子、还有沙子,统统加起来。假设你体重是 70 千克,加上鞋和袜子,大约 100 千克。
那这一块沙土,承受的压强就是 100 千克 / 每平方米。
要是在你旁边,有三个人挤在一起,他们的体重加起来是 200 千克,他们脚下的压强就是 200 除以那块沙土的面积。
这时候,别看每个人受到的“总压力”不一样,但对脚下那块地方的“压强”是一样的。
这就是为啥在沙滩上,两个人挤在一起好办陷得更深,出于压强大了。 再换个角度,要是你站在深井里。井底的水压,跟井深有啥关系?跟井里没有水没关系,跟井里水多深没关系。
只要你站在水面上方,甭管水多深,你头顶的空气压力根本没变。出于空气挺稀薄,导压系数大,只要没有井壁被压塌,你感受到的就是那一层空气。
可是,要是你站在井底,那水就启动往你身上压了。水越多,井越深,你脚底承受的压力就越大。
这就好比你在高山上,你脚下的压强简直只跟空气相关;但在深海中,你身后的压强就跟海水深度直接挂钩,海水越深,你感觉越累,出于液体越重,单位面积上的“重量”就越大。 这里还有个反直觉的点,叫“帕斯卡氏原理”。
这原理说的就是,施加在一个封闭液体上的压强,会均匀地传递到液体的各个局部,包含固体。
这仿佛跟牛顿力学里说的力不同,牛顿力学的力是指物体的重量要么推力,而帕斯卡原理讲的是压强的传递。
要是你往浴缸里注水,你往上推,水不就被推高了吗?但这实际上是通过管道里水分子之间的碰撞,把压力“传”到了那些看不见的地方。
要是浴缸没有底,要么底是软的,比如泡澡盆,你往上面推,整个盆子都会像被按扁了一样。
这时候,你用的力通过水传遍盆子的每一个角落,盆底和盆壁受到的压强是一样的。 举个例子,想象你手里拿着一把压力计,去测你脚底那个坑里水的压强。
要是这个坑是空的,只有你脚底接触,那你测到的压强就是大气压大约加上你鞋子、你身上衣服的压力。
可是,要是你把那个空的坑填满了水,并且深度充足,那你测到的压强就会瞬间变成几千帕就连上万帕。
这时候,你脚下的水,不再是静止的流体,而是像一堵墙一样,把压力死死地压在脚下。
这时候的压强公式实际上挺好办:P = ρgh。ρ是水的密度,大约 1000 千克每立方米;g是重力加速度,大约 9.8;h是水深。
比方说,水深 1 米,你脚下的压强就是 9800 帕。 这个公式里的 h,代表的是垂直深度。
注意不是从水面到你的高度,而是从水面往下数的米数。
要是你在游泳池里,水深 2 米,那你脚底受到的压强就是 2 倍的 9800 帕。
这时候你并没有感觉到“体重”变大了,你感觉到的只是“重量”被放大了。
一般/平平人的脚底面积大约 200 平方厘米,20000 平方厘米,换算一下,你脚下承受的压力大约是 20000 牛顿。
那你的体重才 70 千克,70 千克到底多少牛顿?大约 700 牛顿。
也就是说,你在游泳池里,你脚下承受的压力是体重的 20 倍。
这意味着你的身体结构,务必承受这样庞大的压强,否则腿脚可能会受不了。
这也解释了为啥游泳的人一般不适合在浅水池里游,出于那里的压强忒小,身体结构无法适应,好办 Injury。 还有一个现象,叫“虹吸管”里的负压。
这个原理有点反了,它说的是,要是你拿一根细管子,一头在水里,一头贴着碗壁往外抽,管子里的水能吸起来。
这是出于你抽走了空气,管子内部的压力变低了。
这时候,碗壁外的水,出于大气压大,就把水压进去了。你抽得越狠,内部压力越低,外部的大气压力就越能把水顶上来。
这时候,水柱的高度,不能超过 10.3 米。
为啥呢?出于 10.3 米水柱形成的压强,才大约等于一个标准大气压。
要是你抽到 11 米了,管子外面的大气压顶不过来,水就断流了。 这实际上是个挺有趣的物理游戏。试想你在家里装了一个抽水泵,用虹吸原理把水抽到楼顶水箱。
这时候水箱里的水,别看高度没变(还是原来的高度),但水柱头就在 10.3 米高了。
要是你再往上抽一个瓶子,这时候瓶子里的水头高度超过了 10.3 米,你会发现,水根本吸不上去。
这就是为啥有些吸饮料的吸管,要是灌得忒满,水就流不出来了,出于里面的水头忒高,超过了大气压能顶起的高度。
这就是压强传递和平衡的直观体现。 再说说“水锤效应”,这个在工程上挺头疼。
要是你突然打开一个阀门,要么泵突然暂停,水会像子弹一样冲进管道,形成庞大的压力波。
这个压力波会顺着管道,像多米诺骨牌一样,传到系统的另一端。
要是系统里有个软屏,也就是压力释放的地方,水锤效应就会把软屏像石头砸一样砸穿。
这实际上就是压力突然释放,害得压强剧增。 还有一种情况,叫“静水压力与表压的区别”。表压是相对于大气压的压强,也就是你测压计读出来的那个数。静水压力是绝对压强,包含了大气压。
要是你测压计,仪器本身有大气压,故此读出来的就是表压。当你把压计里的水换成油,密度变小了,同样的深度,压力就小多了。
这时候你就发现了,重油压的比较小,密度大的液体,压强反而大得多。 实际上,理解水压的最佳方式,就是把它当成一层层叠起来的“重量”。你站在地上,脚下是空气,空气有重量但挺轻。你站在井底,脚下是井壁,井壁有重量。你站在深井里,脚下是一层、两层、三层……的水。每一层的水,都给你额外的压力。
这就像你在爬楼梯,每上一层,你脚下的台阶都变得更重。水压就是这些水层在你脚下累积起来的“重量加速度”。 最终,我想聊聊为啥水如此特別。和其他流体不一样,水有压缩性,也有流动性。
要是你把水压过头,水会被压缩,形成弹性。但这种压缩是暂时的,水挺快就能恢复原状。
不过,要是压力忒大,比如高压锅,水就变成了液体,就连能流出来,这时候水的性质就变了。
这大约就是为啥有些高压设备,要么要堵漏,要么要加缓冲层。 故此,水压这东西,表面看是好办的公式,底层看是无数分子的运动和碰撞。它既温柔,又狠毒。忒温柔了,你走不到深水里;忒狠毒了,你连脚下的路都走不动。理解它,不是为了背公式,而是为了看懂那些水里的浮力,看懂那些管道里的波动,看懂我们身体为啥能在水里漂浮,为啥船能浮在水面上。它每天都在我们面前上演,却往往被我们忽略了。当你站在河边,看着水拍打着岸堤,你实际上是在感受某种庞大的、看不见的力,正通过水分子,一点点地、持续地,把你和这个世界联系在一起。