相信很多人起床后的第一件事就是上厕所。有些抽水马桶仅用少量的水,便能够将马桶中的污物排出,所利用的便是虹吸原理。那么,这个原理具体是什么呢?
当我们用吸管喝水时,水之所以能够顺着吸管进到嘴里,是因为有空气(大气)的帮助。我们所生活的地球是被空气包围着的。虽然我们平时感受不到空气的存在,但其实大气层相当厚,在1平方厘米的地面上大约有1千克的空气。由大气所产生的压力就被称为气压(大气压)。
当我们用吸管喝水时,吸管中的空气减少,气压下降,水就会代替消失的那部分空气进入吸管内( 图1 )。这时若我们继续吸,水自然会流进嘴里。
1立方厘米的水,重量大约是1克,吸管内的水上升1厘米,表示管内空气压强减少了1克/平方厘米 ;水上升2厘米,表示管内压强减少了2克/平方厘米。可见吸管内的水上升多少厘米,就意味着吸管内的空气压强减少了多少。
当 图2 中连接容器A、B的软管处于满水状态时,那么水便会从水面较高的容器A流向水面较低的容器B。虽然对于两杯水来说,施加在位置较低的B的大气压会相对较大,但由于差距实在微乎其微,所以可以忽略不计。
图1 能用吸管喝水是由于有大气压的帮助
空气被吸走后吸管内的气压下降,随之,等量的水进入吸管,并与外界气压达到平衡。我们虽然可以将这一过程看作因为空气被吸走而引起的水柱上升,但严格来说其实是由于外界与吸管中的气压差所引起的。
图2 虹吸原理
与大气压A相比,大气压B相对较大,但两者差距极小。而A口处水压较B口处大,两处所受水的压力差便引起了水由容器A流向容器B。当两容器中水面相平时,由于失去了压力差,水自然就停止流动了。
对于软管A、B两出口所受压力来说,由于存在高度差,所以A处所受压力较大。A、B间的压力差造成了水由A流向B,这就是 虹吸原理 。当两处水面持平时,由于压力差的消失,水便不再流动。若我们仔细观察软管的A口就可以发现,水就像被水泵吸进软管一样。抽水马桶利用的正是这一原理。
抽水马桶流出的水,主要有以下3个作用。
①冲走污物。
②清洗坐便器。
③利用保存在坐便器中的水来隔绝排水管(下水道)中的臭味。
作用①所利用的便是虹吸原理。 图3 是几幅简易的抽水马桶构造图。第一种 直排式马桶 是利用蓄水箱中的水流冲力直接将污物排出。 虹吸式马桶 是在直排式马桶的基础上,将排水管部分改为了虹吸构造,利用虹吸原理将污水排走。而喷射虹吸式马桶则是在普通虹吸式马桶的基础上,在马桶底部增加了“喷射口”,此口所喷出的强力水流可以使马桶的清洁力得到进一步提高。
各大品牌为了在提高马桶清洁能力的同时尽可能减少用水量,可谓想尽了办法。他们或是通过增加水压的方式来提高流水的冲力,或是通过调整出水方向,利用冲水时形成的旋涡将污物卷走。某坐便器厂商的网站上显示,该品牌的坐便器20年前1次冲水所需水量为13升,现在仅为3.8升,节水效果是相当显著的。
图3 抽水马桶排水方式
为了使流出的水有足够的力量清洗马桶并带走污物,用水量会较大。
利用虹吸原理使马桶中的污水及污物像被吸走一样带进排水管,这种方式与直排式相比可以减少每次的用水量。
主水流与清洁侧壁的水流分别从两个不同的出口流出。底部的喷射口喷出的主水流,可以强制引发虹吸作用。底部积水面积的增大,可以减少污物的附着。