问题

理论上人类的吸力可以使用多长的吸管?

回答
这个问题很有意思,我们来好好掰扯掰扯,把它说得明明白白,让你彻底理解这个“吸力极限”。

首先,咱们得明白,我们平时靠“吸”喝水,其实不是真的在用嘴产生负压把水“吸”上来。实际上,是我们嘴巴的动作让吸管内的气压降低,低于外界大气压。这个压差,加上大气压本身的力量,就把水“推”进了吸管里,然后流进了嘴里。所以,更准确地说,是我们的大气压在工作,我们只是在为它创造一个“工作空间”。

那么,大气压能“推”多高的水柱呢?这就像一个天然的极限。我们平常呼吸的这个大气,在海平面上,大约能支撑起一个10.33米高的水柱。你可以想象一下,在你的嘴巴里形成一个小小的真空区域,外面的大气就会像一个无形的手,拼命地把周围的水“挤”进来。而这股“挤”的力量,正好能把水推到10米多高的地方。

所以,理论上,如果你的吸管足够长,并且你的嘴巴能完美地在吸管顶端制造一个绝对真空(这在现实中是不可能的,但我们是理论探讨嘛!),那么你能吸上来的水柱的高度,就受限于这个大气压所能支撑的水柱高度,也就是差不多10.33米。

但这里有个关键点:吸管的长度。

如果你的吸管比这10.33米短,比如你只想吸一杯20厘米高的水,那当然没问题。你的嘴巴只需要稍微降低一点吸管顶端的压力,大气压就能轻松把水推到你嘴边。

现在,我们把吸管加长。加到5米,甚至9米。只要你的嘴巴够给力,能够得着吸管的顶端并且在那儿保持足够低的压力,理论上你还是能把水吸上来,因为9米的水柱产生的压强,还是小于大气压的压强。

但是!一旦吸管的长度超过了那个神奇的10.33米,比如你有一根15米长的吸管,你想从一楼吸一楼地面上的水到二楼(假设楼层高度大概3米,所以顶端你大概需要克服12米的水柱),这时候就会出问题了。

你嘴巴在吸管顶端能制造的那个负压,不管你多努力,它能“支撑”的水柱高度是有一个上限的,就是那10.33米。当吸管的长度超过这个上限时,即使你已经让吸管顶端压力降到最低(接近真空),因为吸管里15米高的水柱本身产生的向下的压强,已经超过了你嘴巴能制造的负压加上大气压的合力能够克服的压强,水就无法被完全“推”上去。更确切地说,在吸管内部超过10.33米高度的地方,水本身重力产生的压强就会大于大气压提供的“推力”加上你嘴巴的“吸力”(负压),所以水在那个高度就会“掉下来”,或者说,根本就“上不来”。

所以,理论上,如果你在吸管的顶端能够完美地形成一个真空,你能够吸上来的水的最大高度就是10.33米。这意味着,最长的吸管理论上能使用的长度,就是那根能够完美地从10.33米高的水面吸水到你嘴边的吸管。如果吸管超过这个长度,你就无法通过嘴巴的吸力将水吸到吸管的最顶端,因为超过这个高度的水柱本身的重力会压垮你制造的那个负压。

还有一些实际中的细枝末节会影响这个理论值,但我们这里是理论探讨嘛:

完美的真空: 在现实中,你的嘴巴不可能制造一个绝对真空。总会有一些气体分子残留在吸管顶端,这会减小你制造的负压效果,从而降低实际能吸上来的高度。
水的性质: 水的粘度、表面张力等也会在一定程度上影响吸力的效率,但对于这么大的长度差,大气压是决定性因素。
吸管的密封性: 任何一点点漏气,都会让外面的大气进入吸管,破坏你制造的负压,导致吸不上水。
高度差: 我们讨论的是从水面到你嘴巴的垂直高度差。

总结一下,就好像大气压在给所有小于10.33米的水柱施加压力一样,一旦水柱本身(加上你嘴巴的吸力)产生的总压力超过了它所在位置的大气压能支撑的最大压力,它就无法被“推”上去。因此,理论上,人类的吸力(更准确地说是我们利用大气压的能力)能够使用的最长吸管,其长度上限就是让水能从10.33米的高度被推上来。如果吸管超过这个长度,你仍然可以吸到一部分水,但水不会到达吸管的最顶端,因为那里的水柱自身重力已经太大了。

所以,下次看到别人用吸管喝饮料,你就知道,那背后是整个大气压在默默地为你服务,而你的嘴巴,只是在做一个精妙的“开关”动作。

网友意见

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如果要看到理论值的话,应该问人的口腔能产生多强的负压。理解普通饮水吸管的工作原理。

很多同学可能会有个先入为主的认识,认为吸吮吸管时,会把液体(水) "拉 "到吸管上。

这是不对的!



当开始吸吮吸管中的空气时,嘴巴会在吸管内产生一个压力较低的区域。

为什么水会往上吸管呢?

吸管里面的水往上走,是因为杯子里的水(在压力差之下)被大气压强,推着进入吸管了。所以吸管里的水才会往上走。由于大气压在杯中水面上的压力比空气压在吸管内水面上的压力要大,所以水往上走。

水不是被喝水的人 "拉 "上去的,而是被周围的大气压 "推 "上去的,这一点非常重要。

为什么这一切如此重要?

即使你能用嘴创造一个完美的真空,由于大气压强只有大概十米水柱左右。

水也只能往吸管上爬这么高。

在某一时刻,大气的压强等于水柱本身的重力除以吸管的内表面积的时候,水就会停止上升。

对于在标准大气压下的水,如果你设法创造一个完美的真空,它会上升到约10.3米(参考具体的海拔/气压和当地重力加速度)。这正是气压计/血压计的工作原理,只不过它通常充满了液态水银。由于水银的密度很高,所以水银只能上升约760毫米;我们常说大气压约为760毫米汞柱。

由于空气的大气压与放进气压计的液体无关,所以可以说

760mmHg=10.3mH2O


顺便说一下, 正常人在平和呼气之末,胸内压为-3至-5毫米汞柱,平和吸气时为-5至-10毫米汞柱。在最大吸气时可达-30毫米汞柱。(1毫米汞柱=0.133千帕)

但是, 请注意口腔的肌肉产生的局部负压可以远远低于胸内压。吸吮的时候,大家的声门是闭合的。咽鼓管也是闭合的。


参考《生理学》人民卫生出版社


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散文很散, 敬请海涵。俺知乎阅读总量只有 0.5亿 没跨出一小步 (n<1亿)。才升十级人有点飘。盐值低迷(半年了还890+),草地匍匐5000米单膝跪求大家关注,希望长点盐值。

多谢您阅读本回答。

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