生活中的初中物理（17）——输液器中神奇的进气管

吃粗粮的人不确定哪一天会生病。一旦生病，病人将立即去医院看病。有些疾病可以用一些药物和针来治疗，而有些疾病则需要输液，这就是我们通常所说的“输液”。你曾经有过铅球吗？你见过有人投过一次球吗？

当给病人挂针时，护士需要先在无菌手术室准备药液，然后将药液瓶带入治疗室或病房。他们先把药液瓶倒挂在输液架上，然后让瓶塞穿刺器穿过药液瓶塞，进入瓶子开始给病人输液。输液时，药液瓶中的药液必须均匀地滴入病人的静脉。为了满足这一要求，输液器瓶盖穿刺器的下端连接有一段与瓶外空气相通的进气管。为什么药液瓶里的药液可以用这个进气管均匀滴下？

为了回答这个问题，我们需要澄清以下问题。

1.为什么要把两根管子插入药水的瓶口？

将现有的药瓶密封，将药物密封在整个药瓶中。最早的输液用液体药瓶不是用来装生理盐水和葡萄糖水的，而是在给病人输液时用来装准备好的液体药物的。这是一个倒挂在底部敞开的输液架上的瓶子。这就是所谓的第一代输液系统。

一根管子插入瓶口。经过一段时间的使用，人们发现这样一个打开的药液瓶中的药液很容易被细菌污染，这不仅削弱了疗效，而且危及患者的生命安全。后来，人们封闭了液体药瓶的底部，并将液体药物密封在瓶中。

然而，在使用中存在问题。当药液瓶倒置悬挂时，瓶内空气的压力等于瓶外大气压，瓶口处液体的压力等于瓶内空气的压力和药液产生的压力之和。当瓶塞穿孔器穿过瓶塞进入瓶子时，一部分药液通过输液管流出。我们知道一个大气层可以支撑大约10米高的水柱。因此，瓶中液体药物产生的压力比瓶中空气的压力低得多。因此，当药液流出时，瓶中药液的高度降低，空气的体积增加，压力很快就会降低。当瓶口处液体的压力等于瓶外空气的压力时，药液将不再流出。

为了解决这个问题，人们通过许多实验发现，只要在瓶口插入一根进气管，药液就会不断地流入输液管。管子插入后，瓶子的内部与瓶子外部的大气相连。因此，人们称这种管道为进气管。如图5所示，这就是所谓的“第二代输液系统”。

2.为什么药水瓶要挂得高高的？

我们每个人都生活在海洋的大气层中。人们不仅适应这种气氛，而且身体内外的压力都是相等的。在输液过程中，液体药物通常被注射到病人的静脉中。由于心脏受压，静脉血除了压力等于周围大气压力之外，还有一个额外的压力。因此，静脉血的压力大于人体外的大气压。输液时，瓶内药液通过进气管与外界空气相通，瓶口处的液体压力等于外界大气压，只能抵消静脉血中的部分压力。为了使液体药物进入静脉血管，液体药物产生的压力必须大于人体静脉血中的附加压力。考虑到液体药物在输注期间进入静脉时具有一定的速度，液体药物的压力大于该附加压力。我们知道液体内部的压力随着液体的深度而增加。为了使药液进入静脉血管时的压力更大，必须将药液瓶挂在高处，使输液管内液体产生的压力大于人体静脉血管内的附加压力。

3.为什么进气管中的液位远低于瓶子中的液位？

当给病人挂针时，我们经常会看到这样的现象:当瓶塞穿孔器穿过药液瓶进入瓶中时，瓶中的一部分药液立即进入通气管。当你仔细观察时，你会发现进气管中的液位总是远远低于瓶子中的液位。这是什么原因？

我们已经知道，当护士使瓶塞钻子穿过药瓶瓶塞进入瓶子时，进气管使瓶外空气与药瓶内空气相通，瓶内药物上方的空气压力等于外界大气压力。当药液瓶倒置悬挂在输液架上时，一部分药液在瓶内液体压力的作用下被压入进气管，使得一部分药液被容纳在进气管内。随着药液进入进气管，瓶内药液的高度降低，瓶内空气的体积迅速增加，压力迅速降低，低于瓶外空气的压力。通过刚才的分析，我们已经知道，考虑到瓶内气体的压力低于瓶外气体的压力，瓶内气体的压力和瓶外气体的压力远远大于瓶内液体药物的压力。因此，进气管中液柱的高度远小于瓶中液柱的高度，即进气管中的液位远低于瓶中药液的上表面。然而，液面与药液瓶口处的液面齐平，从而确保在输液开始时，瓶口处的药液压力等于瓶外的大气压。

4.为什么药液以恒定的速度流出？

在护士将针头刺入患者静脉之前，他们必须取下输液针头套筒，调节流量调节器以使输液管中的液体流量最大化，并使用输液管中的液体将空气从输液器的滴管和软管中排出。然后，关闭流量调节器，将输液针插入患者静脉。最后，打开流量调节器并进行适当的调节，输液将开始。

输液时，药液瓶中的药液以恒定的速度滴入病人的静脉。人们可能认为输液器的流量调节器起着控制作用。这个想法是错误的！事实上，流量调节器的控制功能与水池底部的水龙头相同。它只能控制流量开关和流量。然而，随着水位逐渐下降，流出的水会越来越慢，水龙头无法控制水自始至终以恒定的速度流出。输液器中的流量调节器依赖于改变输液管直径的大小来控制输液量和输液的开关。进气管用于输液的均匀输液。为什么输液器的进气管能使药液匀速滴下？

输液开始后，随着药液不断流入患者的静脉血管，药液瓶中的液体不断减少，液面不断降低，瓶内液体产生的压力也不断降低。同时，瓶内液体上方密封空气的体积不断增加，空气压力不断降低。瓶子里的液体向下滴的速度降低了。当瓶内液体的压力和瓶内密封气体的压力之和减小到小于外界大气压力时，即瓶口处液体的压力小于外界大气压力时，由于瓶内空气通过进气管与瓶外空气相通，在大气压力的作用下， 进气管中的空气吹动进气管中液面处的间隙，瓶外空气以气泡的形式进入瓶内，并出现在瓶内药液的上表面。 瓶内液体上方的空气质量增加，压力增加，因此瓶内液面上方封闭空气的压力和瓶内液体产生的压力之和仍然等于外部大气压力。

这样，在整个输液过程中，由于通气管的作用，瓶口处的液体压力始终等于外界的大气压，使得位于瓶口下方一定距离处的滴管上端的药液压力基本保持不变，注射压力保持相对稳定，从而保证药液均匀地滴入滴管，一滴一滴地滴入，然后以均匀的速度流入患者的静脉血管。

一个小的吸入管可以使输液管中的药液以恒定的速度滴下，这不是很神奇吗？

有些人可能担心液体药瓶中的液体是否会从进气管流出。每个人的担心都是不必要的！瓶内液体和药液瓶口液面以上密封空气的压力之和不会大于外界大气压力，最大值只能等于外界大气压力。在这种情况下，只有瓶外的空气进入瓶内，药液怎么能从进气管流出？

输液器上的滴管有什么作用？在输液过程中，药液的输液速度是不同的，由于条件不同，用药不同，输液速度有严格的控制。然而，大多数用于输液的液体药物是无色的。当药液在输液管中流动时，其流速不易观察。使用该滴管，护士可以根据滴管在一定时间内滴下的液滴数来确定药液的流速，并根据需要和要求来控制和调节输液管中药液的流速。你能告诉我在物理中使用什么样的思维方法吗？