Когда я пью через соломинку, атмосферное давление выталкивает воду или я ее всасываю?

Это просто разные способы назвать одно и то же. В конечном счете, именно атмосферное давление выталкивает жидкость вверх по соломинке, но обычно атмосфера этого не делает: причина движения воды в том, что вы создали зону низкого давления во рту, которая позволяла атмосферному давлению выталкивать воду вверх. Если вы определяете всасывание как создание зоны низкого давления для перемещения жидкостей или газов, то оба варианта верны: вода всасывается вами, а выталкивается атмосферой.

Это атмосферное давление толкает его. В вакууме, если вы попытаетесь сосать соломинку, ничего не произойдет (вы даже не сможете сосать). Или, если вы запечатаете жесткий контейнер так, что единственным отверстием будет соломинка, тоже ничего не произойдет. Жесткий, поэтому атмосферное давление не может деформировать контейнер и взаимодействовать с жидкостью внутри.

Ваш вопрос подобен вопросу: «Если я зачерпываю воду из бассейна, а вода вокруг него течет, чтобы заполнить его место, то я зачерпываю воду, которая заставляет воду течь? Или вес воды, оставшейся в бассейне?»

В обоих случаях ваше действие вызвало дисбаланс давления, но сам поток вызван давлением. Если источника давления нет, будь то гравитация или атмосферное давление, ваши действия ничего не дадут.

Да и нет.

Чтобы пить из соломинки/с соломинкой, вам сначала нужно сделать ртом воздухонепроницаемое уплотнение вокруг соломинки.

Затем вы используете мышцы диафрагмы и, возможно, грудной клетки, чтобы расширить грудную полость. Это снижает давление внутри ваших легких, поэтому выполнение этого расширения требует, чтобы вы выполняли работу против атмосферного давления. Эта энергия запасается в сниженном легочном давлении.

Тогда давление на верхнюю часть жидкости в соломинке меньше, чем давление атмосферы на свободную поверхность жидкости в бутылке/стакане. Таким образом, избыточное атмосферное давление воздействует на жидкость, заставляя жидкость подниматься по соломинке. Если соломинка достаточно короткая или ваша диафрагма достаточно мощная, уровень жидкости достигает вашего рта и та-да!

Кстати, вам также нужно заткнуть ноздри (внутри!) или вы будете всасывать воздух через нос, а не жидкость через соломинку.

Атмосферное давление является результатом упругих столкновений между молекулами, поэтому молекулы отскакивают или «отталкиваются» друг от друга. Когда вы пьете через соломинку, это похоже на перетягивание каната в обратном направлении, когда обе стороны толкают, а не тянут. Перед тем, как вы начнете сосать, воздух внутри и снаружи соломинки находится под одинаковым давлением — обе стороны «толкаются» одинаково сильно, а жидкость в соломинке не движется. Когда вы сосете соломинку, вы уменьшаете давление внутри соломинки, а это означает, что она не так сильно давит на жидкость. Силы, воздействующие на жидкость, теперь неуравновешены, поскольку воздух снаружи соломинки давит сильнее, чем воздух внутри соломинки, выталкивая жидкость вверх по соломинке.

Давление воздуха возникает за счет «толчков» между молекулами. Вакуум не «всасывает» — обратите внимание, что там буквально нет ничего , что могло бы вызвать всасывающую силу. Скорее, это давление жидкости, которое всегда толкает, и если отталкивающая сила недостаточна, движение может происходить из-за неуравновешенных сил.

Представьте, что вместо того, чтобы всасывать через соломинку, вы вместо этого дуете — давление окружающего воздуха вокруг стакана не меняется внезапно с силы толкания на силу притяжения. Вместо этого сила давления вокруг стакана просто преодолевается еще большей силой давления внутри соломинки. Но то, выше или ниже давление в одной области, чем в другой, не меняет природу силы давления. Хотя давление, по сути, представляет собой толкающую силу, для уравновешивания давления требуется всасывание изо рта, поэтому вода не выталкивается вверх по соломинке самопроизвольно.

Это атмосферное давление. Это имеет экспериментальное следствие: всасывание не может поднять воду более чем на 10 метров. Это связано с тем, что давление на дне 10-метрового водяного столба с вакуумом над ним соответствует атмосферному давлению, поэтому атмосфера не может поднять его выше.

Это было известно во времена Галилея, и он пытался это объяснить , но не смог.

Этот вопрос похож на вопрос: «Когда мяч падает, он движется от более высокого уровня или движется к более низкому уровню? Он движется, потому что более высокий уровень выше, или потому, что более низкий уровень ниже?» То же самое, оба уровня (атмосферное и легочное давление) одинаково важны. Именно их различие движет потоком (мяча или воздуха), а не только значением в той или иной точке. Если они имеют разные значения, будет градиент, и все имеет тенденцию течь по градиенту. Это универсальное явление со многими примерами: градиент давления (движение жидкости), градиент гравитационной энергии (падение объектов), градиент электрического потенциала («напряжение», протекание электричества), градиент концентрации (диффузия/движение частиц в жидкости) и так далее. . Таким образом, всасывание и выталкивание — это две стороны одной медали, а медали (потока жидкости) не было бы без двух сторон. Лучше всего думать об этом не с одной стороны или с другой (всасывание легких или выталкивание атмосферы), а как чистое движение, создаваемое градиентом/разницей давления, которое является свойством того, как пара точек соотносится друг с другом .

То, что традиционно считается отстойным, просто не существует, по крайней мере, в том смысле, в каком большинство людей наивно думают об этом. Когда вы убираете соломинку, ситуация идентична тому, что происходит, когда вы делаете большой вдох и ваша грудь/легкие надуваются. Большинство людей, вероятно, скажут, что это происходит потому, что вы всасываете воздух, и этот воздух заставляет ваши легкие и грудную клетку расширяться. Это неправильно. Причинно-следственная связь обратная, поэтому я думаю, что рассматривать толкание и тягу как одно и то же, как предполагают некоторые ответы, не совсем правильно - существует четкий порядок времени для того, что происходит. Сначала мышцы в вашем теле заставляют ваши легкие расширяться, что создает перепад давления, и это расширение* заставляет воздух вокруг вашего носа/рта устремляться в ваше тело, так что ваши легкие имеют то же давление, что и наружный воздух. Ничто не притягивается, молекулы воздуха вталкиваются в вас другими молекулами воздуха. Единственная разница между этим и питьем через соломинку заключается в том, что обсуждаемая жидкость — это вода, а не воздух, кроме этого концептуально ничего не меняется.

*простое применение закона идеального газа, PV=nRT. Правая часть уравнения не меняется, поэтому увеличение объема соответствует уменьшению давления внутри легких.

Это атмосфера давит на поверхность жидкости. Энергия, передаваемая жидкости, равна произведению вытесненного объема на давление окружающего воздуха.

Однако вы не получаете эту энергию бесплатно. Каждый джоуль, который вы получаете от атмосферы, вы должны отдать ей, прижимая к ней какую-то часть своего тела. Если вы сосете, закрывая легкие ртом, то нижняя часть вашего подбородка давит на атмосферу. Если вы сосете легкими, то это грудь и живот. В любом случае, это атмосфера, контактирующая с вашим телом, с которой вы боретесь, когда сосете. Вот куда уходит энергия.

Сосание соломинки снижает давление в верхней части соломинки, позволяя атмосферному давлению (плюс давление от веса жидкости на дне соломинки) создать достаточную силу, чтобы вытолкнуть жидкость из соломинки вверх в рот.

Гидростатическая модель 

Для простоты рассмотрим вертикальную соломинку с острием на глубине$h$ниже поверхности жидкости и уровня жидкости внутри соломинки, достигающей высоты$H$(измеряется от погруженного наконечника). Этот столб жидкости имеет вес$\rho g H A$, где$A$– площадь поперечного сечения соломы; сила, действующая на него снизу, пропорциональна давлению на глубине$h$:$(\rho g h + P_{atm})A$, тогда как сила, действующая на нее сверху, пропорциональна давлению, создаваемому вдыханием воздуха в соломинку:$AP_{insp}$. Таким образом, баланс сил записывается как

Максимальная высота, на которую можно набрать жидкость на вдохе (т. е. вдыхая/всасывая воздух), равна

оценки 

Теперь мы можем сделать оценки: 

• Атмосферное давление 1 атм, что соответствует 1033 см водяного столба.

• Максимальное давление вдоха (MIP) — то есть максимальное давление, создаваемое при вдохе, — составляет около 130 см вод. ст. для мужчин и около 100 см. вод. ст. для женщин. 

В нашем случае МИП фактически соответствует разнице$P_{atm}-P_{insp}$- то есть можно сосать воду или подобную жидкость через соломинку длиной около метра.

Дополнительные замечания 

• Можно многократно сосать, эффективно создавая вакуум во рту. В этом случае максимальная длина соломы ограничена атмосферным давлением, т.е. около 10 метров. Некоторые интернет-страницы сообщают, что фактически проверяли это экспериментально в рамках урока физики.

• На практике ситуация редко бывает статической, поэтому можно попытаться внести поправку, используя закон Бернулли, который означает, что, когда жидкость движется вверх по соломинке, давление, необходимое для поддержания ее движения, меньше, чем в статическом случае.

• Капиллярные эффекты / эффекты поверхностного натяжения - их можно наблюдать, глядя на соломинку. Жидкость поднимается на миллиметр или около того, поэтому связанная с этим сила слишком мала, чтобы диаметр типичной соломинки имел какое-либо значение.