大氣壓的應(yīng)用

在人活動的周圍有空氣存在，這是古代中國人早已知道的事實(shí)。但是，要人們認(rèn)識到大氣有壓力，卻并非是一件容易的事。盡管在生產(chǎn)生活中他們已有許多發(fā)現(xiàn)和利用大氣壓的實(shí)例，但是真正認(rèn)識到大氣壓的存在卻是很晚的事了。在科學(xué)技術(shù)上稱為“虹吸管”的東西，古代人稱它為“喝鳥”、“過山龍”。實(shí)際上，它就是一根彎曲的空心竹筒。只要在開始時將該竹筒造成局部真空，插入水池中，竹筒就能將池水引上岸，這是對大氣壓存在的證明之一。早在西漢初期，汝陰侯夏侯灶（公元前？-前165年）墓中的竹簡就曾記述，這樣的一根封閉竹管使井中之水自汲而上。接著，東漢宦官張讓（公元？-189年）曾命其“掖庭令”畢嵐造喝鳥，以便將路邊溝渠之水引至路上，用以噴灑路面，“以省百姓灑道之費(fèi)”（《后漢書》卷七八）。大約從北魏開始，古代的一種計(jì)時器銅壺滴漏上開始使用喝鳥，以便將上壺水引至下壺。顯而易見，當(dāng)時人們已以多種方式利用了大氣壓的作用。再如，人們創(chuàng)造的喝鳥隔山取水的灌溉法。唐代杜佑對此記述道：以大竹筒雄雌相接，勿令漏泄，以麻、漆封裹，推過山外。就水置筒，入水五尺。即于筒尾取松樺干草，當(dāng)筒放火?；饸鉂撏ㄋ?，即應(yīng)而上。（《通典》一五七卷）杜佑在此記述了制造虹吸管的材料、方法。所謂“以火氣潛通水所”，用現(xiàn)代話說，就是給竹筒內(nèi)的空氣加熱，使其膨脹后而造成局部真空。其中，未曾述及的一點(diǎn)小訣竅是，加熱后，要在竹筒出水端用干草燼泥封固。過一、二個時辰之后，竹筒內(nèi)空氣冷卻了，再拔開干草燼泥，水立即就流出來了。當(dāng)然，這個記載還缺少一個很重要的物理事實(shí)，虹吸管入水處與其彎曲頂端的高度差不得超過一個大氣壓所容許的高度，即不得超過9.8米。應(yīng)用喝鳥，可以引水過山，灌溉土地。在軍事上，也有重要意義。宋代曾公亮在《武經(jīng)總要·前集》卷六《尋水泉法》中對此也作了詳細(xì)的記載。而現(xiàn)代中學(xué)生做這一物理實(shí)驗(yàn)，往往以滴量管演示大氣壓的存在。滴量管，即是兩端開口的玻璃管。管子吸入水后，手指閉其上管口，液體便可以保留在管內(nèi)，甚至可以提起玻璃管，將液體從一處移到它處。如此演示大氣壓存在的現(xiàn)象，在南北朝成書的《關(guān)尹子·九藥篇》中也有記述。它寫道：瓶存二竅，以水實(shí)之，倒瀉；閉一則水不下。唐代王冰在《黃帝內(nèi)經(jīng)·素問》卷二十注中也寫道：虛管溉滿，捻上懸之，水固不泄。宋代俞琰在《席上腐談》中也說：即如銅水滴，捻其竅則水不滴，放之則滴。所謂“銅水滴”，也就是一根小銅管，被用作滴水到墨硯上的小工具。在中國的傳統(tǒng)文化中，窮書生桌上的一支小竹管便是極普通的滴量管了。對于大氣壓的應(yīng)用，古代人作出了如此種種超前的發(fā)現(xiàn)。然而在理論方面的探討則是膚淺的、直觀的。以滴量管的現(xiàn)象為例，《關(guān)尹子·九藥篇》解釋說：蓋（氣）不升則（水）不降。井雖千仞，汲之水上，蓋（氣）不降則（水）不升。王冰在《素問》注中更詳細(xì)地闡述道：……水固不泄，為無升氣而不能降也；空瓶小口，頓溉不入，為氣不出而不能入也。由是觀之，升無所不降，降無所不升，無出則不入，無入則不出也?？梢?，古代人認(rèn)為，滴量管所以能吸水而入，是由于其中空氣出盡或被排斥的結(jié)果；而一旦空氣進(jìn)入管中，水就被排斥出去。水與空氣在管中彼出此進(jìn)，互相交換其存在的空間。從而形成了虹吸管、滴量管的吸水現(xiàn)象。這經(jīng)驗(yàn)之談似乎有理。實(shí)質(zhì)上，古代人還未能將管內(nèi)的升水與管外的大氣壓，這二者貌似分開的現(xiàn)象統(tǒng)一起來。雖然也懂得上述實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于管內(nèi)是否有空氣，說明他們對事物的本質(zhì)已有所認(rèn)識，但終究沒有獲得大氣壓的理性認(rèn)識。直到明代，莊元臣還在其《叔苴子·內(nèi)篇》一書中寫道：注水入瓶，閉一竅而水不得出，氣守之也；置水于盆，覆匏而水不得入，氣拒之也。莊元臣仍將瓶（或匏）內(nèi)外現(xiàn)象分得如此清白，而未將它們聯(lián)系起來思考問題的本質(zhì)。自然界里的空氣存在壓力的理論就這樣在古人的鼻子尖下悄悄地溜走了，而未曾在古人的思想中留下認(rèn)識的痕跡。多么遺憾！莊元臣之后不久，方以智的學(xué)生揭暄在注《物理小識》時才以實(shí)驗(yàn)性的敘述初步表達(dá)了氣體有巨大壓力的概念。他寫道：萬斛之石不能壓一氣球，必氣出盡而后合。氣球是中國的傳統(tǒng)制品。一種常用來協(xié)助渡水的氣球，稱為“浮囊”。它為歷代將領(lǐng)和兵家所重視。據(jù)載，東漢大將鄧訓(xùn)（公元40—90年）在西北與羌人作戰(zhàn)時，曾以“縫革置筏”而戰(zhàn)勝羌胡軍。所謂“縫革”也就是制造氣球。揭暄所寫下的文字表明他可能演示過巨石壓氣球的實(shí)驗(yàn)。氣體能承受巨大壓力，至少可以說，氣體有壓力的思想從此為一些學(xué)者所知?！段锢硇∽R》一書初稿于1631年，方以智作序于1643年。1649年，方以智又將其收集的治病藥方補(bǔ)入，并開始由其子方中通匯編成書。1664年刊刻出版。揭暄作注的時間當(dāng)在1643—1649年間。它比格里克（ottovonguericke，公元1602—1686年）于1654年演示馬德堡半球的氣壓實(shí)驗(yàn)要早幾年。格里克將16匹高頭大馬，分成兩組拉開被抽成真空的兩個金屬半球，演示了大氣壓的存在。當(dāng)然，他的實(shí)驗(yàn)比揭暄的闡述具有更強(qiáng)的說服力。

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