浅析坎儿井中的物理原理

何铚远

摘 要：坎儿井的原意为“井穴”，也被人们成为“井渠”，而新疆维吾尔语则称之为“坎儿孜”，它又被当地人民成为“林公渠”。坎儿井是新疆地区人民的储水工具和灌溉工具，经过劳动人民长期地开发，如今已经成为了干旱地区不可缺少的灌溉系统，为当地农牧业的发展做出了巨大的贡献。坎儿井有着悠久的历史，但直到林则徐治理新疆后才被不断开发，形成了较为完善的灌溉系统，极大促进了新疆的农牧业的发展。与万里长城、京杭大运河并称为中国古代三大工程。坎儿井一种神奇的井渠，它造福了无数劳动人民，是当地劳动人民智慧的结晶，其中蕴含的物理原理更是奇妙万分。文章从高中生的角度出发，结合自身所学相关知识，对坎儿井中的物理原理作一个浅析。

关键词：坎儿井；物理原理；高中生；应用

坎儿井一共由四个部分组成：竖井，暗渠，明渠，涝坝。表面上看来，坎儿井并没有什么特别，但实际上，坎儿井蕴含的物理知识是非常奇妙的。首先坎儿井在建造方面分为四个部分，每一个部分都有着不一样的功能；其次坎儿井能够有效地利用地下水源，将地下水源引入到田地里；最后坎儿井运用的水多半为地下水，不容易被水蒸发蒸干，流量非常稳定，给农田的灌溉提供了充足的水源。

一、坎儿井的特点介绍

坎儿井是一种神奇的井渠，也是建筑史上的伟大杰作，坎儿井的发明使得我国西部干旱地区的人民能够储水和用水，并利用这些水灌溉农作物，极大地促进了农牧业。要想了解坎儿井中蕴含的物理原理，首先要全面深入地了解坎儿井的特点，才能够体会坎儿井的神奇之处，对其中蕴含的物理现象和原理有一个清晰明确的认知。总的来说，坎儿井有三大特点，分别是不需要动力、蒸发量极小，水资源利用率极高、水体不易被污染，水温较低，以下对其进行逐一介绍：

（1）不需要动力。相对于其他井渠，坎儿井能够节省大量的人力和物理，因为其他其它井渠大多需要各种能量，而坎儿井并不需要。这是坎儿井独特的设计结构决定的，坎儿井的走向从高到底，自然界的水会顺着坎儿井往低处流，因此并不需要动力作为支持。这一特点使得新疆地区的人民能够将更多的精力放在耕种和养殖牲畜上，极大促进了新疆地区农牧业的发展。尽管坎儿井这种设计一开始需要花费大量的人力与物力，但从长远的角度来说，这些花费都是值得的，因为坎儿井一旦建成，人们便能够储存和获得大量的水资源，增加农作物的收成。

（2）蒸发量极小，水资源利用率极高。除了不需要动力以外，水资源利用率极高也是坎儿井的一大特点。传统的井或是井渠往往是露天的，在下夏季与秋季的时候水体会受到阳光直射，蒸发量极大。坎儿井则位于地下，并不会遭到阳光的直射，地面起到了“隔热”的效果。即使到了夏季和秋季，地表温度超过四十度，地下水体的温度也能够保持在二十多度左右，水体的蒸发量极小，水资源的利用率极高。坎儿井这一设计也使得新疆人民能够有效地将为数不多的水存储起来，在干旱的季节能够将存储的水灌溉农田以及供牲口饮用。新疆属于降水量少，平均温度极高的干旱地区，坎儿井巧妙地利用了地下水，将水资源巧妙储存起来，减少了水资源的浪费，极大促进了当地农牧业的发展。

（3）水体不易被污染，水温较低。传统的井或井渠中的水容易受到污染，因为它们的水体暴露在地面，人们往往会将生活垃圾或是废弃物丢进水中，造成水体污染。而坎儿井却不容易受到污染，因为坎儿井的水面位于地下，生活垃圾或是一些污染物难以渗透到其中。这一特点使得坎儿井的井水能够供人们与牲口饮用，也能够在灌溉农田方面取得良好的效果，使得新疆人民能够更加健康的生活与工作。此外，坎儿井的水体温度降低，水质纯净，酿酒也是极佳，新疆人民常常将这些水存储起来，在需要的时候使用，使自己的生活变得更加舒适与便捷。

二、坎儿井蕴含的物理原理

总结以上，坎儿井有三大特点，分别是不需要动力、蒸发量极小，水资源利用率极高、水体不易被污染，水温较低。坎儿井具备这些特点，是因为新疆劳动人民了解物理现象，在建造坎儿井的时候巧妙地利用了物理原理，最终使坎儿井能够极大地造福人民，促进当地农牧业的发展。坎儿井蕴含的物理原理有很多，以下选取主要三点进行逐一介绍：

（一）木棍定向法确定水的流向

先来说木棍定向法。我们知道，一根木棍受到水流冲击后会变向，而如果我们将木棍的一端削尖，那么尖端必定会指向水流的放向。木棍定向就用了这个原理。古人在暗渠上方打一个井，再用一根绳子垂直悬挂一根木棍在十米以下的水中，这时，水流会冲击木棍促使其变向，然后再在不远处垂下一根木棍。这两根木棍会偏向不同方向，而两根木棍的相交点，就是地下暗河的转折点。这样，也就在陆地上确定了地下暗河的走势，为后来挖掘奠定了基础。

（二）光延直线传播

除了木棍定向法以外还有一种定向方法，是为在地下挖通道的工人们准备的，那就是油灯定向法。这一个方法解决了地下工人在挖掘时很难按照直线的问题，它运用了一个十分简单的物理道理：光延直线传播。工人在挖掘时会在身后挂一盏油灯，这个时候，因为光沿直线传播，地上会形成一个影子。从理论上将，如果一个人是按照直线前进，那么影子也就必定会指向不变的一个方向，也就自然而然得解决了挖暗渠时，容易挖弯曲的问题。

（三）连通器原理

整个坎儿井利用的是连通器原理。因为外界大气压相同，再加上暗渠中水深基本相同，那么，整个坎儿井就形成了一个长达千米的连通器。新疆地区有较多的高山，高山常年积雪，在气候变暖时雪山上的水会溶化渗透到地下。这是坎儿井的作用就体现出来了，坎儿井能够引导地下水的流向，雪山上的水也因此顺着坎儿井的方向流向更低的地区，起到了灌溉的作用。

综上所述，坎儿井一种神奇的井渠，它造福了无数劳动人民，是当地劳动人民智慧的结晶，其中蕴含的物理原理更是奇妙万分。坎儿井极具特色，能够有效地存储水資源，引导溶化的水流向低处，防止水体污染，使这些水既能够灌溉农田也能够供人畜饮用。坎儿井利用了光延直线传播、连通器原理等物理原理，能够有效地造福当地人民，促进当地农牧业的发展。

参考文献：

[1]王毅萍，周金龙，郭晓静.新疆坎儿井现状及其发展[J].地下水，2008-11-25.

[2]关东海，张胜江，吾甫尔·努尔丁.新疆坎儿井现状分析及保护利用对策[J].新疆水利，2005-06-15.