负压的利用

   地球表面被大气层包围着，因而地球表面空间到处有大气压强存在。桌面上、桌面下，箱子里、箱子外，人体内、人体外都存在压强，而且对每一个表面来说，两面压强是平衡的，因此你感觉不到大气压的存在。一旦将某一方面的压强撤去的话，你便会看到大气压这位“大力士”的威力。请看下面一个有趣的实验——大气将易拉罐压瘪。

   如图1所示，先在易拉罐壁上开一小孔，让饮料从孔中倒出[图中(a)]。然后将空罐在火焰上加热，使罐内的一部分空气排出[图中(b)]。接着迅速将事先准备好的橡皮塞塞住小孔[图中(C)]。立即将罐放在水龙头下用冷水浇淋[图中(d)]。这时由于罐内空气压强远小于外界的大气压强，罐内外存在的压力差将易拉罐压瘪了。

   通常我们把容器内气体的压强小于标准大气压的状态称为负压状态。将密封容器抽成完全真空就是大气压下负压的最大值（人们还无法做到抽成完全真空）。当然如果外界压强超过1个标准大气压，那么容器受到的负压还可以增大。

   罐头食品通常是在加热时将罐头密封，因此都存在一定的负压。开启罐头时听到“嗤”的一声，这是空气进入罐内，而不是气体从罐内跑出（罐装啤酒和罐装汽水则不同，由于二氧化碳溶入液体饮料，罐内的气体压强大于大气压）。有一些用塑料袋密封包装的食品，俗称“真空包装”，实际上是负压包装。灯泡、电视机的显像管都是处在一定程度的负压状态。不小心打破灯泡时，碎玻片不是向外飞出，而是被大气压入灯泡里面。

   负压的利用非常普遍，人们常常使某部分空间出现负压状态，便能利用无处不在的大气压替我们效力。例如，人们呼吸时，当肺处于扩张状态时出现负压，在肺的内外形成了压强差新鲜空气就被压入肺内。

   图2是钢笔吸取墨水的示意图。当手指将富有弹性的橡胶管压扁时，管内部分空气被排出。放手后橡胶管在恢复原状时，管内空气处于负压状态，大气压就将墨水压入管内。

   下面将再介绍几件利用负压的器具。

   图3是实验室中常用的一种转移、提取一定量液体的管子，称为移液管（又叫液量管）。它的上、下两端开口，腰部较大，将它插入某种液体中，使液体进入管内，从刻度上可以读出所需液体的数量，然后用手指封住上端管口，将管子提出，这时液体保留在管内不会流下，当移至目的地时，只要松开上部手指，液体就一下子流光了。这是什么道理呢？

   为了说明移液管的原理让我们从一个实验谈起。

   图4所示的实验你一定很熟悉，将一个盛满水的杯口上盖一张平的硬纸按住纸片，小心地将杯子颠倒过来，慢慢地放开手，发现杯于中的水不会流出来，像被吸住的一样。实际上做这个实验时，水不一定盛满，少许留些空气也能成功。

   为什么水能被大气“托”住呢？原来当水杯倒过来时，水和纸片将向下移动一些，这时杯内少部分空气立即处于负压状态，虽然杯内一定高度的水会抵消一部分大气压力，但只要杯内空气压力和水对纸片产生的压力等于外界大气压力，纸片仍然能够平衡。

   由于负压存在水不会流出的原理，我国古代很早就已经发现了。早在南北朝到唐代的古籍中都有论述。一本名为《关尹子·九药篇》的古书中说：有两个小孔的瓶子装水倒出来很容易，若闭塞其中一个孔，水就倒不出来。如图5中的茶壶，若堵住壶盖上的小孔水就不易倒出，放开小孔，水就能自由地流出，这都是负压作用的一种应用。

   唐王在《素问》注释中说：一根空管灌满水，将上口闭紧，悬挂起来，下口里的水就流不出来，是空气进不去的缘故。实际上这也就是移液管利用负压原理来移液的道理。

   宋代俞琰在他所写的《席上腐谈》一书中，将负压的利用叙述得更为有趣。书中写道：在空瓶内燃烧纸片后，急速将瓶口覆于水中，则水涌入瓶内，是火气使其如此的。

   这里所说的“火气”实际上是指加热后排出了部分空气，再冷却时瓶内出现负压状态的意思。

这一原理后来应用到中医的拔火罐技术中。图6是古代大夫用火罐为病人治病的情景。古代火罐是用一段带有竹节的竹筒加工制成，形如一个杯子，先将烧着的纸片投入罐内，待纸片烧尽立即将竹罐覆于患者需要消瘀的部位，当瓶内空气降温而出现负压时便会牢牢地   吸附在皮肤上，这时罐内的这部分皮肤会隆凸起来，使皮内血脉流畅、排除积瘀，消除病痛。这种治病方法一直沿用至今，不过现代用的火罐一般采用玻璃容器代替竹筒。

   图8是一种非常方便的吸壁式挂衣钩。圆型的塑料底盘呈盆碟形，直径约5厘米左右，中央装有挂钩，将它按在光滑、平整的墙上或镜子、瓷砖等表面上，排除盘内空气、它便能牢牢地吸住在壁上，在钩子上挂衣物不会掉下。这就是一个最简单的吸盘。我们可以计算一下，一块面积为20厘米2的吸盘，假如完全排除空气，要用多大的垂直作用力才能将它拔离墙壁？

F=p0S=105帕×2×10-3米2=200牛

   这样等于质量为20千克的物体所受到的重力。这个力相当可观啊！

   工人们在搬运、安装商店大橱窗的玻璃以及轿车的挡风玻璃时，也都利用这类真空吸盘，吸盘的直径约为20厘米，这样，利用吸盘内外的压强差就可产生足够大的“吸力”。

   其实吸盘并不是什么了不起的创造，可以说它是从自然界中一些生物体的构造中借鉴而来的。许多动物都有一副天生的好吸盘。它是一种中间凹陷的盘状结构。动物中的吸虫纲、蛭纲的口部或腹部都有吸盘。图9是寄生在人体肝脏门静脉血管内危害人体健康的日本血吸虫，它的头部就有吸盘。图10是海星纲的海盘车，它有5个腕，长约10厘米，各腕上有四列管足，管足的末端有许多小吸盘。图11是乌贼鱼，它的一对触腕顶端扩大如半月形，上面有许多小吸盘。其他八个较短的腕，每腕上有四列吸盘。其作用除了吸附之外还能用来捕食。

   壁虎（图12）是一种体形扁平，长约12厘米左右的陆上爬行动物，善于捕食蜘蛛、蚊、蝇等小昆虫，它能在墙壁、玻璃窗，甚至天花板上爬行。壁虎的这种“吸壁”功能靠的是它指、趾底面的一些皮瓣和腹部的一些褶皱。当它们紧贴在玻璃上之后，突然皱起时便能产生负压效果，整个身体便吸附在玻璃上了。它的四只脚此吸彼松，彼吸此松，壁虎便能在壁上爬行自如了。

   动物中间吸盘功夫最好的要数海洋中的一种名叫?头鱼的鱼类了。我国沿海产有这种鱼，长近1米，它的背鳍非常特别，其前端分化为一椭圆形大吸盘（图13），处于头顶部位。利用吸盘，?鱼可以附着在大鱼的身上或船的底部，不费力气地随着大鱼或船迁移远方。这种鱼的吸附力很大，据说可以用它来捕捉海龟或大鱼。将它用长绳系着放入海中，为了逃生，它便牢牢吸在海龟身上不肯放松，收缩绳子便能将海龟捕入网内（图14）。

   吸盘给人们的启示不仅能做成吸壁衣钩，你家里使用的排除水斗或抽水马桶堵塞现象的橡皮吸头不就是另一种应用吗？

   图15所示，洗菜、洗碗的水斗不慎被菜叶之类的杂物堵塞在弯道处，水不能流下，真急人。这时一个带有长柄的像碗一样的橡皮吸头可以大大地帮你的忙。只要将它盖住出水口，猛烈下压，排除皮碗内空气，然后猛烈向上提几下，通常水就能哗然流通起来，这是什么道理呢？

   原来，杂物堆堵处由于水的压力使其越压越紧，最后造成堵塞。当吸头上拔时，皮碗内产生短时的负压，这时出水管底部进入的空气便能产生向上部反向压力，使堵住物松离堵塞处，于时水又可在管中流通，同时将杂物逐步带走，有效地防止了重新堵塞。当然如果堵塞物太多、太大的话，这种方法也无济于事。

   有趣的是，你懂得了这个道理，即使手头没有橡皮吸头，只要用揩布之类的物品，也可以试着打通水斗。图16所示，将捏成团的揩布，一部分塞住出水孔，另一部分抓在手中，然后迅速上提拔出揩布产生负压，操作数次，一般也能奏效。

   吸盘用于工业生产上则常见于图17所示的吸盘机械手。这是在生产玻璃的厂家用排列成行、成列的众多吸头，它们由抽吸空气产生负压吸住已经加工好的玻璃，将它们搬运、迁移，既安全又方便。

   有一种家用多用途摇肉机，它跟桌面间的固定方式非常别致（图18）。在光滑桌面上先将摇肉机用力向下压住，然后扳动扳手①，于是它就牢牢地固定在桌上了，任你摇动手柄②它不会移动。这是什么道理呢？当你把它的底座打开一看便恍然大悟。原来它的座盘里也有一个吸盘。图19(a)所示是呈自然状态的吸盘膜，吸盘内仅有少量空气。把扳手向下扳动，曲柄将盘膜向上升起，膜内空气体积增大时就出现了负压状态，由于膜内外压强差产生的压力便将摇肉机紧紧压在桌上了。这里桌面光滑是关键，如果桌面粗糙，有漏气现象，那是无法固定摇肉机的。

   排气机、抽气机和吸尘器一类机械可以说是连续不断产生负压的机械。常见的排气扇（图20），橱房中的脱排油烟机（图21）是一种典型的排气机。

   当排风扇的电动机带动叶片高速旋转时，叶片猛烈推动它前端的空气形成高压区，而叶片的背面则形成负压区。在这一压强差的作用下，空气不断地进入这个区域沿着电动机轴线方向流动，达到更新室内空气的目的。

   脱排油烟机的金属罩壳内也是一个排风扇，只是经过改进后的叶轮，利用离心作用，能将吸附在叶轮上的油滴飞溅出来，落到滤油罩上，且由回油槽汇集，最后流入油杯内。

   吸尘器和排气机有所不同，它不是大范围内吸取空气的机械。而是在局部范围内吸入空气的器具。但它吸入空气的速度很大，足以使地面上的尘埃随着空气一起进入容器内加以收集。因此它是一种优良的清洁卫生工具。用它清扫30平方米地面或墙壁，一般不超过3至6分钟。

   图22和图23是立式吸尘器和它的内部结构示意图，图24和图25是卧式吸尘器和它的内部结构示意图。

   可以看出，它们都是由电动机、叶轮组、灰尘过滤器或过滤袋、垃圾收集箱等几部分组成。都有进气口和排气口。叶轮的转速通常在8000～25000转/分之间，工作时在吸尘器内部形成瞬时的高负压状态（俗称高真空），叶轮组级数愈多，吸尘器内外压力差越大，吸尘能力也就越强。

   为了长时间保持高负压状态，以便加以利用，需要有一个不断抽取空气的机械，这种机械叫做真空泵。人们把容器中气体的稀薄程度叫做真空度，通常真空度可以划分成下列几个区间。

   粗真空：气压的数量级为103~105帕；

   低真空：10-1~103帕；

   高真空：10-5~10-1帕；

   超高真空：气压的数量级小于10-5帕。

   图26是一种旋片式真空泵的示意图。它主要由钢制圆筒形定子和一个偏心的转子组成，转子能绕轴转动，两个叶片横嵌在转子的直径上，被装在它们中间的一根弹簧压紧。叶片把转子和定子间的空间隔成两部分。当转子由图27(a)位置转到图(b)位置时，转子与定子间的一部分气体（涂网纹）体积增大，呈现负压，容器内气体就进入这个空间。当转子转到图(c)位置时，叶片将这个空间与容器隔开。转到图(d)位置时，这部分气体被压缩，它能顶开排气阀将其排出。这样密封容器内气体将会一份一?'b7莸刂鸾ゼ跎伲?佣?鸩交竦酶哒婵铡￡

   在千变万化的自然界中有没有负压现象呢？回答是肯定的。从气象预报中你一定听说过高气压、低气压的名称。地球上在同一高度的不同地点由于温度、湿度不同，大气压强每100公里约有1百帕的差别。同一地点在不同的时间也大约有4百帕的差异。每天上午9~10时气压最高，下午15~16时气压最低。气压的差别常常会造成空气从高气压向低气压的流动，也就形成了风。

   龙卷风是在局部地区短时间形成的一种低压气旋。图28所示的是陆上龙卷风，它的外形像一个漏斗状的旋转云柱，直径从10米到100米不等。存在的时间一般只有几分钟，但它的中心气压极低，大约是400百帕，甚至达到200百帕（五分之一标准大气压），龙卷风风力极大。中心附近的风速可达100~ 200米/秒。因此，破坏力极大，在龙卷风经过的地方常有大树拔起，车辆掀翻，建筑物摧毁，人、畜卷走等造成生命财产的严重损害。曾有一则报道说：有一名妇女被龙卷风旋卷而起，高高飞转，结果被抛着在1.8千米之外河滩边，由于河边地软幸免于难。世界上美国的德克萨斯州是龙卷风最多的地区，平均每年有800次之多。我国的华东及沿海省市也多有龙卷风发生。一般在5~9月之间，时间大多在午后和傍晚。

   龙卷风往往是由强雷暴云体引起的，这种云体的前部是上升气流，后部是下沉气流。在后部降雨，或降冰雹时发生猛烈的蒸发，使这部分空气变得更冷，温度越低，气压就越高，这时高压的冷空气会迅速向四周散开，于是狂风大作，并发生旋转，一旦旋转，中心就形成一个低气压，四周的空气便迅速向这个区域汇聚便形成了龙卷风。龙卷风发生在海洋上就会引起海啸。

   台风与龙卷风不同，它是发生在热带或副热带海洋上的气旋性涡旋。它是由海洋上湿热空气上升时在空中凝结成水时放出热量而形成的。图29是一幅卫星云图，可以看出它位于北太平洋，是逆时针方向旋转的。该台风的直径约为600~1000千米。近中心最大平均风速可达110米/秒，中心气压约为877百帕，这个低压中心的直径仅20千米左右，这里几乎没有风，叫做台风眼（图29中气旋中央的小黑点）。

   图30是台风的分层结构和上升运动的示意图。其下部（离地面约3千米）是流入层，气流向着中心辐向流动。中部（离地面3~7千米）称为中层，是气流上升运动最强的层次。上部（离地面7千米以上）是流出层，气流向外辐向散射。台风一旦在海洋上形成，台风中心便相当稳定地向一定方向移动，可以存在好多天，直到台风中心登陆之后受到陆地、山峦的阻碍才会逐渐减弱，最后化为低气压。

   台风的破坏作用主要有三方面：1．狂风巨浪。船只躲避不及便难逃灭顶之灾。1954年一次台风使日本的5艘船舶沉没造成1440人死亡，成为世界航海史上的第三次大灾难。2．形成风暴潮。当台风登陆时，由于中心气压低，使沿岸海水暴涨，海堤破坏，海水倒灌。1970年孟加拉湾风暴潮，吞没岛屿，夺去50万人生命。3．形成暴雨使山洪爆发，造成水灾。

   台风对人类造成的危害极大，至今人们还无法控制台风。但人们已经能较准确地预报台风及估测它的移动速度和方向。从而能有效地加以防范，尽可能使损失减小到最低程度。