淺析坎兒井中的物理原理

何铚遠

摘 要：坎兒井的原意為“井穴”，也被人們成為“井渠”，而新疆維吾爾語則稱之為“坎兒孜”，它又被當地人民成為“林公渠”。坎兒井是新疆地區人民的儲水工具和灌溉工具，經過勞動人民長期地開發，如今已經成為了干旱地區不可缺少的灌溉系統，為當地農牧業的發展做出了巨大的貢獻。坎兒井有著悠久的歷史，但直到林則徐治理新疆后才被不斷開發，形成了較為完善的灌溉系統，極大促進了新疆的農牧業的發展。與萬里長城、京杭大運河并稱為中國古代三大工程。坎兒井一種神奇的井渠，它造福了無數勞動人民，是當地勞動人民智慧的結晶，其中蘊含的物理原理更是奇妙萬分。文章從高中生的角度出發，結合自身所學相關知識，對坎兒井中的物理原理作一個淺析。

關鍵詞：坎兒井；物理原理；高中生；應用

坎兒井一共由四個部分組成：豎井，暗渠，明渠，澇壩。表面上看來，坎兒井并沒有什么特別，但實際上，坎兒井蘊含的物理知識是非常奇妙的。首先坎兒井在建造方面分為四個部分，每一個部分都有著不一樣的功能；其次坎兒井能夠有效地利用地下水源，將地下水源引入到田地里；最后坎兒井運用的水多半為地下水，不容易被水蒸發蒸干，流量非常穩定，給農田的灌溉提供了充足的水源。

一、坎兒井的特點介紹

坎兒井是一種神奇的井渠，也是建筑史上的偉大杰作，坎兒井的發明使得我國西部干旱地區的人民能夠儲水和用水，并利用這些水灌溉農作物，極大地促進了農牧業。要想了解坎兒井中蘊含的物理原理，首先要全面深入地了解坎兒井的特點，才能夠體會坎兒井的神奇之處，對其中蘊含的物理現象和原理有一個清晰明確的認知。總的來說，坎兒井有三大特點，分別是不需要動力、蒸發量極小，水資源利用率極高、水體不易被污染，水溫較低，以下對其進行逐一介紹：

（1）不需要動力。相對于其他井渠，坎兒井能夠節省大量的人力和物理，因為其他其它井渠大多需要各種能量，而坎兒井并不需要。這是坎兒井獨特的設計結構決定的，坎兒井的走向從高到底，自然界的水會順著坎兒井往低處流，因此并不需要動力作為支持。這一特點使得新疆地區的人民能夠將更多的精力放在耕種和養殖牲畜上，極大促進了新疆地區農牧業的發展。盡管坎兒井這種設計一開始需要花費大量的人力與物力，但從長遠的角度來說，這些花費都是值得的，因為坎兒井一旦建成，人們便能夠儲存和獲得大量的水資源，增加農作物的收成。

（2）蒸發量極小，水資源利用率極高。除了不需要動力以外，水資源利用率極高也是坎兒井的一大特點。傳統的井或是井渠往往是露天的，在下夏季與秋季的時候水體會受到陽光直射，蒸發量極大。坎兒井則位于地下，并不會遭到陽光的直射，地面起到了“隔熱”的效果。即使到了夏季和秋季，地表溫度超過四十度，地下水體的溫度也能夠保持在二十多度左右，水體的蒸發量極小，水資源的利用率極高。坎兒井這一設計也使得新疆人民能夠有效地將為數不多的水存儲起來，在干旱的季節能夠將存儲的水灌溉農田以及供牲口飲用。新疆屬于降水量少，平均溫度極高的干旱地區，坎兒井巧妙地利用了地下水，將水資源巧妙儲存起來，減少了水資源的浪費，極大促進了當地農牧業的發展。

（3）水體不易被污染，水溫較低。傳統的井或井渠中的水容易受到污染，因為它們的水體暴露在地面，人們往往會將生活垃圾或是廢棄物丟進水中，造成水體污染。而坎兒井卻不容易受到污染，因為坎兒井的水面位于地下，生活垃圾或是一些污染物難以滲透到其中。這一特點使得坎兒井的井水能夠供人們與牲口飲用，也能夠在灌溉農田方面取得良好的效果，使得新疆人民能夠更加健康的生活與工作。此外，坎兒井的水體溫度降低，水質純凈，釀酒也是極佳，新疆人民常常將這些水存儲起來，在需要的時候使用，使自己的生活變得更加舒適與便捷。

二、坎兒井蘊含的物理原理

總結以上，坎兒井有三大特點，分別是不需要動力、蒸發量極小，水資源利用率極高、水體不易被污染，水溫較低。坎兒井具備這些特點，是因為新疆勞動人民了解物理現象，在建造坎兒井的時候巧妙地利用了物理原理，最終使坎兒井能夠極大地造福人民，促進當地農牧業的發展。坎兒井蘊含的物理原理有很多，以下選取主要三點進行逐一介紹：

（一）木棍定向法確定水的流向

先來說木棍定向法。我們知道，一根木棍受到水流沖擊后會變向，而如果我們將木棍的一端削尖，那么尖端必定會指向水流的放向。木棍定向就用了這個原理。古人在暗渠上方打一個井，再用一根繩子垂直懸掛一根木棍在十米以下的水中，這時，水流會沖擊木棍促使其變向，然后再在不遠處垂下一根木棍。這兩根木棍會偏向不同方向，而兩根木棍的相交點，就是地下暗河的轉折點。這樣，也就在陸地上確定了地下暗河的走勢，為后來挖掘奠定了基礎。

（二）光延直線傳播

除了木棍定向法以外還有一種定向方法，是為在地下挖通道的工人們準備的，那就是油燈定向法。這一個方法解決了地下工人在挖掘時很難按照直線的問題，它運用了一個十分簡單的物理道理：光延直線傳播。工人在挖掘時會在身后掛一盞油燈，這個時候，因為光沿直線傳播，地上會形成一個影子。從理論上將，如果一個人是按照直線前進，那么影子也就必定會指向不變的一個方向，也就自然而然得解決了挖暗渠時，容易挖彎曲的問題。

（三）連通器原理

整個坎兒井利用的是連通器原理。因為外界大氣壓相同，再加上暗渠中水深基本相同，那么，整個坎兒井就形成了一個長達千米的連通器。新疆地區有較多的高山，高山常年積雪，在氣候變暖時雪山上的水會溶化滲透到地下。這是坎兒井的作用就體現出來了，坎兒井能夠引導地下水的流向，雪山上的水也因此順著坎兒井的方向流向更低的地區，起到了灌溉的作用。

綜上所述，坎兒井一種神奇的井渠，它造福了無數勞動人民，是當地勞動人民智慧的結晶，其中蘊含的物理原理更是奇妙萬分。坎兒井極具特色，能夠有效地存儲水資源，引導溶化的水流向低處，防止水體污染，使這些水既能夠灌溉農田也能夠供人畜飲用。坎兒井利用了光延直線傳播、連通器原理等物理原理，能夠有效地造福當地人民，促進當地農牧業的發展。

參考文獻：

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