為什麼用吸管能喝到飲料?
― 在吸的不是你,而是大氣
用吸管喝飲料時,我們會覺得「是靠嘴巴的力量吸上來的」。但從物理的角度來看,把液體撐起來的,並不是你嘴巴的力量。真正的原因,是一直包圍著我們、看不見的空氣重量(大氣壓)。
把吸管插進果汁裡,用力一吸,液體就會湧進嘴裡。有這種感覺,自然會覺得「是嘴巴把液體拉上來的」。
但其實,嘴巴裡並沒有能抓住液體、把它拉上來的「手」。嘴巴能做的,只有讓肺部擴張,把嘴巴和吸管裡的空氣排出去而已。
既然如此,液體為什麼會上升呢?
吸吸管時,吸管裡的空氣壓力(氣壓)會下降。並不是在拉扯液體。
杯子的液面上,一直有大氣壓往下壓。吸管內氣壓下降多少,這股大氣壓就把液體往上推多少。
不是「被拉上來」,而是「被推上來」――接下來就依序來看這個觀點的轉換。
「吸」其實是在「降低氣壓」
用嘴巴含住吸管吸氣時,我們是讓肺部擴張,把嘴巴和吸管裡的空氣,移動到身體裡面。空氣減少後,吸管內的氣壓(空氣壓力),就會比周圍的大氣壓低。
這是重點所在。嘴巴完全沒有直接碰到液體本身。嘴巴操控的,始終只是吸管內部的「空氣壓力」而已。
把液體往上推的,是外面的大氣壓
杯中液體的表面,一直承受著我們平常不會意識到、由空氣重量造成的壓力(大氣壓)。只要液體在吸管內外承受的大氣壓相同,力量就處於平衡,液體不會移動。
然而,一旦吸管內的氣壓下降,這個平衡就會被打破。壓在吸管外側液面上的大氣壓相對變強,於是這股大氣壓,就把液體推進吸管裡。這就是吸管能喝到飲料的真正原理。
是大氣壓這個看不見的巨人,替你把液體推上來。
吸管能喝到的高度,其實有極限
這個「大氣壓往上推」的機制,存在理論上的極限。就算把吸管裡的空氣完全抽光,讓氣壓變成零(完全真空),大氣壓能把液體推上去的高度也有上限。這是因為,大氣壓這股「推力」本身的大小,是固定的數值。
17世紀,義大利科學家托里切利,在用泵浦抽水的作業中,注意到水無論如何都無法被抽到某個高度以上這個現象,並藉此闡明了這個極限。實際上會是多高,下面的折疊區塊會用數字來確認。
這個極限高度,比一般吸管的長度大上好幾個數量級。日常生活中使用吸管時,完全不需要在意這個極限。不過,在用泵浦把水抽到非常高的地方等情境下,這個極限有時會真的成為設計上的限制。
可以自己動手確認
- 在杯子裡裝水,把吸管深深插進去
- 用手指牢牢堵住吸管上端,就這樣把吸管從杯子裡拉出來
- 確認在手指堵住的狀態下,吸管裡的水會留住,不會流出來
- 也確認手指一放開,水就會從吸管流下來
手指堵住的時候,吸管內部、水下方那段空氣的壓力,會和外面的大氣壓取得平衡,撐住水。一放開手指,這個平衡就被打破,大氣壓從下方把空氣推進去,水就落下來了。
總結
能用吸管喝到飲料,並不是因為嘴巴的力量直接拉扯液體。而是嘴巴把吸管內的空氣吸出,使吸管內部的氣壓下降,讓外面的大氣壓相對變強,把液體往上推的結果。這個「大氣壓往上推」的機制雖然有理論上的極限高度,但對一般的吸管來說,餘裕大到完全不成問題。
用吸管喝東西時,出力的人不是你。
你只是替這股名為大氣的巨大力量,開了一道小小的「縫隙」而已。
同樣是大氣壓、方向卻相反的例子,還有倒過來的寶特瓶為什麼水會咕嚕咕嚕斷斷續續流出,也歡迎一併閱讀。在那個例子裡,大氣反而是攔住水的那一方。
想知道更多 ― 用語、數值、與教科書的連結從國中理化到目前仍在研究中的主題,都會清楚標示程度
- 國中國中理化課會學到的範圍
- 高中高中「物理基礎」會學到的範圍
- 高中+高中「物理」,或教科書中發展、專欄性質的內容
- 大學高中不會學到、大學專業科目(流體力學)的內容
- 研究中連大學都還沒當作「定論」教授、研究者目前正在探究的內容
國中用語:與吸管有關的詞彙
- 氣壓(大氣壓):因空氣重量而產生、向周圍施壓的壓力。
- 真空:幾乎不存在空氣(氣體)的空間。
- 壓力差:某個地方和另一個地方之間,壓力大小不同的情況。
高中用算式確認:大氣壓能把水推到多高
從大氣壓的大小,試著計算理論上能把水推上去的極限高度。
極限高度 = 大氣壓 ÷(水的密度 × 重力加速度)
| 大氣壓 | 約為101325 Pa(帕斯卡) |
| 水的密度 | 1000 kg/m³ |
| 重力加速度 | 約9.8 m/s² |
這個算式,求的是「被推上去的水柱重量所造成的壓力」,恰好與「大氣壓」相等時的高度。
| 水的密度 × 重力加速度 | 1000 × 9.8 = 9800 |
| 大氣壓 ÷ (水的密度×重力加速度) | 101325 ÷ 9800 ≒ 10.34 |
| 極限高度 | 約 10.34 m |
理論上,光靠大氣壓能把水推上去的極限,計算結果約為10.34公尺。這相當於大樓3〜4層樓的高度。
拿一般吸管的長度(代表性參考值20cm,即0.2m)來比較看看。
| 極限高度是吸管的幾倍 | 10.34 ÷ 0.2 ≒ 51.7 |
| 極限高度是吸管的幾倍 | 約 51.7 倍 |
計算結果顯示,一般吸管的長度,僅是這個理論極限的五十分之一左右。正因如此,我們才能完全不用在意這個極限,開心地用吸管喝飲料。
※ 大氣壓會因地點與天氣而略有變動,這裡的數值為代表性參考值。
高中+托里切利的真空與水銀實驗
1643年,托里切利進行了一項實驗:在一根一端封閉的長管中裝滿水銀,再把開口那端倒立放進裝有水銀的容器中。結果,管中的水銀下降到某個高度(換算成現在的單位約76cm)就停住,管子上方形成一段空無一物的空間(真空)。由於水銀的密度比水大得多,即使是同樣的大氣壓,能推上去的高度也遠比水低。這個實驗,被視為史上首次以定量方式呈現「大氣壓」這個概念的重要實驗。
大學與流體力學中「虹吸原理」的差異
與吸管類似的現象,還有虹吸,也就是利用管子把液體從高處移到低處的現象。虹吸原理也和大氣壓有關,但主要驅動液體流動的因素,是液體本身重量造成的壓力差,這和用吸管喝東西時力的作用方式並不相同。在流體力學中,液體的運動,被認為是壓力、重力、黏性等多種因素共同決定的。
研究中尚未釐清的部分
- 利用微小管道(微流道)精密操控極少量液體的技術(微流體工程),目前正在醫療診斷與化學分析領域持續研究中。研究人員正在探索,如何把吸管「靠壓力差移動液體」的同一種原理,在更小的尺度上做更精密的控制。
- 蜂鳥等吸食花蜜生物的舌頭,究竟是靠什麼機制運送花蜜,長年以來一直被認為單靠「毛細現象」就能解釋,但近年的研究指出,單純的毛細現象可能無法完全說明,背後可能牽涉更複雜的流體力學機制,相關研究仍在持續進行中。
一根吸管背後的大氣壓物理,其實一路連結到生物體的構造,甚至最先進的醫療技術。
與教科書的連結(依程度分類)
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・氣體與壓力 | 氣壓、真空、壓力差等基本用語 |
| 高中 | 物理基礎・壓力與力的平衡 | 由大氣壓求極限高度的計算 |
| 高中+ | 物理・氣體與壓力的歷史 | 托里切利的真空實驗 |
| 大學 | 流體力學 | 與虹吸原理的差異 |
| 研究中 | 微流體工程・生物流體力學(研究中) | 微流道控制技術、生物吸取機制的研究 |
- 物理基礎教科書中,關於大氣壓與帕斯卡原理的解說。
- 物理學史相關資料中,關於托里切利真空實驗的記述。
- 流體力學相關教科書中,關於虹吸原理的解說。
- 微流體工程領域中,關於利用微小流道操控液體之技術的研究綜述。
- 生物流體力學領域中,關於蜂鳥吸蜜機制的研究綜述。
※ 大氣壓、密度等數值為代表性參考值,實際數值會因環境條件而變動。
※本文為一般大眾科普解說。關於喝飲料時的安全方式(如避免嗆到等注意事項),請視需要參考醫療機構提供的資訊。