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液压:难以想象的气力

日期:2019-10-08 09:23 来源:

  

液压:难以想象的气力

  

液压:难以想象的气力

  

液压:难以想象的气力

  液压:不可思议的力量 在我们的周围,有许多重要的物理和化学现象发生。本刊将借助 科学,向读者提供一些重要现象的答案。本栏主要侧重日常生活 中诸多的为什么,将一些深奥的理论和复杂的实验变成一些简单 的实验,使愿意动手试一试的读者在家中即可进行有趣的实验。 本期介绍的是著名的帕斯卡原理,即封闭容器内流体任何一点所 受的压力以同等的强度向各个方向同样地传递。帕斯卡是从托里 拆利实验着手研究流体力学的,他证明了水银柱的高度是大气压 力作用的结果,粉碎了经院哲学中“自然畏惧真空”的古老教条。 他还设想以气压计的变化来测量山的高度(后来由马略特完 成),发现了气压变化与气候的关系。此后,帕斯卡转而研究液 体平衡的一般规律,帕斯卡原理奠定了近代流体力学的基础。 给一个封闭的液体柱施加一点点压力,不需要任何发动机的帮 助,就足以将一辆汽车抬起来。这可不是什么奇迹,而是应用一 个物理原理的结果,它是如此特别,以致产生了不可思议的效 应。 让我们一起去探究其中的奥秘,并尝试着在家里制造一种验证的 工具。很多小孩甚至一部分成年人都习惯于在牙膏管口附近挤牙 膏,而更好的方法则是从牙膏管的底部开始播,因为在逐渐挤空 的过程中可以将管子卷起来,当然,这里指的是传统的锡管,而 非现在使用的塑料管。 从管口处挤牙膏的人并非出于有意识,而是由于觉得越靠近口的地方挤压,效果就越好,这似乎是不言而喻的。这是对物 理现象的诸多误解中的一个,至今好像仍能明显地感觉到这种误解的存在。 然而事实并非如此:作为流体力学的基础而被广泛应用的帕斯卡原理认为,对封闭容器中的静止液体施加压力,这种压力 会毫无损失地传递至液体的各个部分,同样也传递到容器壁的每一部分。这一特性与液体的独特性质有关,即液体的体积 不会因为挤压而缩小。由于牙膏较稠且有新性,在向外挤压时溢出缓慢,就压力的传递来说,它仿佛是一种静止的液体。 但还有一种情况:除非牙膏管是新的或是装满牙膏的,如果不注意将挤空的牙膏管很好地卷起来,那么手在牙膏管口这一 端挤压的效果较差,因为牙膏是很黏的,它更容易向空牙膏管底部移动,因为它在这里遇到的阻力较牙膏管狭窄的出口处 小(见图1)。 千斤顶的原理 由于问世纪时不存在牙膏管,因此,人们怀疑布雷斯·帕斯卡(BlaisePascal,1623-1662,法国著名的科学家和哲学家) 是否提出了帕斯卡原理,是否每天早晨都在冥思苦想它的功能。 不过,可以肯定的是,许多与液体静压力有关的其他效应都逃不出他的注意力,首先就是液压起重机的原理。 很久之前,工程师们就利用过这种类型的机器,今天,只要在停车场或者加油站,就可以看到液压起重机,利用它使出一 个孩子的力气就能将一辆汽车抬起来。让我们看看这种器械是如何工作的,并设法自己制作一个器械以供实验之用。 请看图2。用一根管手将两个充满了液体(水或油)的容器连起来。其中一个容器截面很大,另一个容器截面则很小,假设 它比前一个截面小1000倍。如果用一个活塞(A)向下压截面小的容器液面,液体就受到了一个压力,这个压力的强度会 按照原来的大小传递到液体表面的任何其他部分,当然也包括在大截面容器里与活塞(B)接触的液体的表面。压强等于作 用力除以作用面积。 根据帕斯卡原理,活塞A下的压强与活塞B下的压强相等,又由于活塞B下的面积比活塞A下的大1000倍,在它上面的作用 力就应比在A上的作用力也大1000倍。因此,为了将一辆1吨重的汽车抬起来,只要1公斤的作用力就够了。液压制动器、 压缩机、汽车的千斤顶、水泵等许多器械都得益于这一原理。 验证帕斯卡原理的小实验 利用两个去掉了针头的注射器,我们就可以在家里制作一个这类小型液压装置。 比如,用一个截面为5平方厘米输血用的粗注射器和一个截面为0.5平方厘米的很小的注射器,将它们的开口用又粗又短 的管子连起来。根据帕斯卡原理,力的转化系数大约为10。将水、油或其他的液体灌满注射器,即两个活塞中间的全部空 间,注意将气泡排除掉。然后请你的朋友用大姆指挤压两个活塞中的一个,你同时用大拇指挤压另一个活塞。我们可以将 这个小小的游戏取名为“铁大拇指的较量”,或者叫“帕斯卡大拇指的较量”。当然,谁挤压细小的注射器,谁就会不费力气地 取胜。如果你有一定的创造力和做实验的才能,就可以用一个弹簧测力计或者称东西的磅秤(如图3所示),想方设法去测 量在挤压两个活塞中的一个时(或者用一个重量比活塞与注射器管壁之间的摩擦力大的砝码)所施加的压力,验证一下帕 斯卡原理,看看两边的压力是否相等。不要忘记从测到的数值中减去挤压注射器之前已存在的值,相当于这一系统的活动 部分,即液体加上活塞的重量。 最后,如果你想验证作为压力器的这种装置的效能,可在磅秤盘子与大活塞之间放上一个核桃:你将会看到挤压一下小注 射器的活塞就能轻易地将核桃压碎。 液压奇迹 用这种小机器就能完成“海格立斯”(宙斯之子,力大无穷,曾完成12项英雄业绩)那样的伟业。准备好一个充满液体的封 闭木桶(不要留有空气,因为空气在压力下会被压缩),就可以开始向你的朋友们演示了。将盛满液体的木桶同一支同样 也灌满液体的小注射器和小管子连起来,你将看到后两者能将木桶瞬间击碎。我们试着算一笔账:一支截面为0.5平方厘 米的普通注射器,用大拇指施加在活塞上的压力为20公斤(用磅秤验证一下,达到此重量并不难),结果出来的压强竟是 40个大气压!很少有木桶能承受住这样的压强。一位农民遗憾地发现了这种现象。他想通过一根很长的细管子将珍贵的葡 萄酒从自己的乡间农舍输送到低30多米的山脚下的一位朋友家里。一切都很顺利:朋友家的酒桶灌满了葡萄酒,但随后液 体管子内的压力很快使木桶破碎,葡萄酒浸泡了房子。 容易混淆的概念 有一些人常常将能量和力混淆起来,错误地认为力大能量就大。在这个例子中,一个原本很小的力产生一个比它大好多倍 的力,这就使某些人产生联想,好像可以从无中获取某种东西,但实际上并非如此。在一个物理系统中,能量是守恒的, 而力并不是守恒的。力可以被创造出来,被改变或被消除,这不违背物理学原理。力的作用是使能量发生转化,但不能创 造出能量。 下面我们分析一个具体的例子。在图3所示的系统中,手对小活塞施加作用力,活塞向下运动,势能变小。而这部分减小的 势能和手对小活塞施加作用付出的能量都被磅秤中的弹簧以弹性势能的形式储存了起来。当我们将手指从小活塞上抽回来 时,储存的能量将释放出来,一部分能量又转化为势能,使活塞又回到开始时的位置,而另一部分能量转化为动能,使活 塞和液体围绕平衡点上下运动。由于摩擦的作用,这种动能将被转化为热能而逐渐散失,这种运动最终就停止了。(end)

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