雙體希羅噴泉

姚睿

研究背景

希羅噴泉是古代歐洲科學家希羅發明的。它的結構巧妙，趣味十足。希羅噴泉的工作原理是在密封的容器里，利用水流位置落差下行到容器底部，水體對底部容器內的空氣進行擠壓形成壓縮空氣，壓縮空氣再將儲水器里的水體擠壓噴向高處形成噴泉，這種“自壓自噴”噴泉現象給人一種神秘悅目的感覺。

平常我們能見到或動手仿制成的多數是單體希羅噴泉，尤其是以塑料瓶做成的柱狀希羅噴泉居多（如圖1所示）。

可是，你們發現了沒有？單體希羅噴泉工作結束后，需要將模型進行翻轉，利用大氣壓和水體自身重力實現水體高低位置換，這樣需要一定時間才能啟動下一輪的噴水，這會讓心急的小伙伴們等得不耐煩，希羅噴泉的趣味性因此而大打折扣。

不但如此，該類希羅噴泉的內部氣壓穩定性較差，剛開始噴水時，水柱揚程高度還是很高的，可沒過多久，水柱高度就慢慢地變矮變短了。是什么原因造成這樣的現象呢？

原來噴泉水柱的揚程高度跟其內部氣壓強度有關。剛開始流水注入時水位落差最大，水壓最大，此時氣壓最大，水柱也最高；待到底部容器水位上升，其水位落差就縮短，水壓就會減弱，容器內的氣壓也跟著減弱，從而影響到水柱噴射高度（如圖2所示）。

為了解決換水不便和氣壓強度不穩等問題，有人改造出了分體式希羅噴泉（見圖3）。

然而，目前可以在網上查找到的分體式希羅噴泉仍然存在著不盡人意的地方：首先是為了調節水位高度落差而需做成管道外置，這就使得分體式希羅噴泉結構過于松散；其次是需要輔助支架，造成了體積龐大，攜帶與操作均不便等問題。

我認為，一款輕盈、簡潔，且能克服換水不便、保持噴射穩定的希羅噴泉模型更能吸引人們的興趣。

為了達到上述目標，有針對性地對單體希羅噴泉進行結構分析應該是改造努力方向。

改造的方法及過程

先從單體希羅噴泉構成人手，在原有基礎上增加一組聯體噴泉，合并成一款雙體反向連接的希羅噴泉。雙體希羅噴泉由兩組個體相同但方向相反的結構組成，這樣的目的是使其中的一組A在做噴水動作的同時，另一組B會同時做換水動作；待A組噴水結束，我們只要將雙體希羅噴泉模型“翻個跟頭”，B組就立即處于工作狀態，此時只要往接水瓶中添加少許水，噴泉就會再次啟動，我們就又能看到美麗的噴泉了！而這時，剛完成噴水工作的A組正處于換水狀態，等待著下一輪的噴水，縮短了轉換時間。

在不改變噴泉現有高度的情況下，將水容器的形狀由“柱狀”改成“扁狀”，這樣的目的是使上方的流水行至底部時，水位落差幅度變化不大，有助于保持高水壓，高水壓能維持對密封空氣壓縮，使其產生的高氣壓持續將儲水噴向高處。雙體希羅噴泉的結構見圖4。

為了證實改成扁狀后的噴泉能保持穩定的高壓，在教師的協助下，我對單體和雙體噴泉實行兩組實時全程錄像。從啟動到結束，我們從回放錄像中用隨機截圖方式采集了各個時間節點與噴泉高度等要素進行比對分析，形成了實驗數據，相關參數通過Excel輔助分析形成曲線圖表。

測試結果描述與分析

單體柱狀希羅噴泉在啟動之時的有效水位落差高度最大，形成的氣壓最足，在短時間內能迅速形成內部高氣壓，噴泉揚程達到了最高位；然而隨著運行時間延長，底部容器水位上升，水位有效落差縮小，氣壓變弱，噴泉揚程狀態漸漸出現萎縮，直至消失。

改造后的雙體噴泉自啟動之時起，噴泉揚程能迅速達到高位狀態，受容器扁平形狀影響，水位有效落差幅度變化較小，密封容器內的氣壓變化也小，反映噴泉揚程高度的曲線始終維持著穩定平緩的狀態，說明其內部容器保持著穩定的高氣壓，并能夠維持到噴泉結束的那一刻。

改進后的雙體希羅噴泉結構緊湊、輕巧，通體透明直觀，便于演示，便于攜帶，達到了原設想的改造要求。它美麗而穩定的噴水現象引人入勝，自動切換功能更是增加了它的神秘魅力。

該項目獲得第30屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目小學組技術與設計一等獎。

專家評語

選題來自兒童生活，有較正規的查新報告，作者對平常見到并動手仿制的“單體希羅噴泉趣味玩具”進行了一種新的設計，制作了新型的雙體噴泉裝置。技術設計方案較具體，原理清楚，效果良好，表現出一定的創新性，申請資料齊備。建議進一步驗證雙體噴泉的效果。