圖片：引水向上實驗情形
作者：嚴融怡
在講解完托里切利與大氣壓力的相關故事與原理之後，給學生體驗大氣壓力的實作方面除了經典的鋁罐壓扁試驗(將少許水加入鋁罐加熱到產生蒸氣，然後迅速丟入裝滿水的水缸中會發現鋁罐因內部空氣壓力不足而被四面八方的水壓力給壓扁)、經典的空氣支撐水杯實驗(將水杯裝滿水然後蓋上墊板，之後倒立讓空氣支撐墊板不落下)、經典的滿水實驗(將寶特瓶盛滿放入裝水的水缸可在水面上倒立而使瓶中的水不漏出來)以及路辛維蒂(Lucien Vidi)當年所設計出來的晴雨計等等，實際上還有一個很有趣的小實驗，叫作引水向上，或稱為引水上流。這個小實驗在這十多年當中臺中教育大學的實驗室團隊已製作了相當多元而有趣的玩法，不過我最早卻是在小時候在看到非洲和印度的小朋友取水時使用類似的方式在取水，在乾燥地區水源非常難得而可貴，當然他們取水也就非常嚴肅，而不是像我們這樣是為了趣味教學在玩水的實驗，而是非常具有經驗性的找到地下水源之後，隨即以一根引水管，透過引水向上的方式去把水源吸取上來，然後噴灑在水桶當中。而實際上，比較厲害一點的，還會使用水錘效應製作簡易但卻很有效率的水錘幫浦，或是在水文地形環境適宜使用虹吸管原理取水或設計伏流水取水設施等等。實際上我一直覺得在臺灣，雖然我們的雨水看似很多，但年降雨的分配其實非常不均勻，加上河川水短流急，其實有時候小朋友會覺得非洲和印度那邊乾燥區域的取水情形不容易發生在我們這裡，但我們這邊實際上應該算是準乾燥區域。實在應該要時時警惕水資源的運用，當然也需要了解一些簡易的水源獲取方式和原理，我是覺得偶爾讓學生在實驗當中玩一下水還是可行的。
引水向上的小實驗說起來並不難，但是要說簡單也並不是非常簡單。有的孩子即便操作多次也還是很難將水打上來。其實它的配置就一根長的硬質塑膠管然後配合一個裝水的容器，當塑膠管深入容器中，上下來回多次(不必每次刻意碰到底部，但是要有一個深入到水中的動作)，然後一隻手握住管子，另一隻手則半掩管口，原則上配合管子上下移動的過程當中，半掩管口的手掌輕鬆地蓋住、放鬆、蓋住、放鬆，利用放鬆時管口的縫隙使管子的空氣能夠被水推出去，而封閉狀態的管子則往上提，之後下壓入水時讓更多的水進入到管子裡，這樣反覆進行之下，管子裡的水面便會越來越高，之後直接從手掌的縫隙噴出來。
圖片：掌握訣竅其實可以讓噴水又快又多
這時有小朋友會問說，那麼引水向上的管子，極限可以到多長，答案是十公尺左右，精確地來說，標準1大氣壓大約是1033.6公分的水柱高。這是托里切利所發現的，當年托里切利當年在照顧生命已進入晚期的伽利略的過程中也一直在思慮水井問題。由於大氣壓可支撐約10公尺高的水柱。因此水井深度必須不超過10公尺，那些傳統上運用空氣壓力作用的引水設施才能夠順利打水上來。所以引水向上原理也不例外。
圖片：引水向上實驗原理示意圖
那麼在我們進行抽水的過程當中，到底發生哪些事情？我將當中大致的情形繪製成上面這個示意圖。(A)當塑膠管插進水中時，必須維持管口上方的手掌放鬆有空隙。(B)當管子持續向下深入時，這時管子週邊的水會受到擠壓而進入管內，同時向上推開空氣，使部分空氣排出。(C)當手掌順勢快速抵住、壓住管口，這時管內呈現密封狀態將會暫停水分吸入上升的動作。(D)這時將塑膠管抽上來，由於管內密封狀態而管內的空氣受重力向下移動，因此手掌會感受到管子似乎有股向下的吸力。而這時管內空氣柱和管內水柱向下的重量，會被作用在管口截面積當中來自容器週邊大氣壓力以及水向上壓力等力量的支撐而達於平衡，因此水位不會下降。(E)當手掌再次放鬆製造空隙，然後迅速將塑膠管向下插入的過程中，容器中的水再次受到管子向下的作用力影響而被推入塑膠管，然後塑膠管上方的空氣則又一次被排出。就這樣一直反覆進行這五個步驟。管子當中的水位就會越來越高，直到噴灑出來。
引水向上是一個很能夠讓學生非常容易感受到水井抽水力量的小實驗；同時，有時候我們會在課堂上向中小學的學生提及我們能夠運用吸管將飲料吸上來也是透過大氣壓力的原理，但是有時候學生仍然不容易了解，這時如果操作一遍引水向上的實驗，也將更容易了解當中的成因喔。臺中教育大學許良榮教授團隊的科學遊戲實驗室 Science Game Laboratory 臉書粉專在前年曾上傳幾個有趣的玩法，可以參考這個網址 https://www.facebook.com/watch/?v=1514956288689543 。
本篇參考引用資料：
1.引水向上 ─國立臺中教育大學科學遊戲實驗室 http://scigame.ntcu.edu.tw/water/water-010.html
2.[假日科學廣場] 科學魔術 4/4 (引水向上戶外實作) https://www.youtube.com/watch?v=ucg8fisAyls
3. Atomoshperic Pressure helps in drinking from a straw | Pressure | Physics -KClassScienceChannel https://www.youtube.com/watch?v=t6knEcapuAM
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