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千斤顶的原理

[字体: ] [ 中学生科技网 | 时间:2006-02-10 10:00 ]

  由于17世纪时不存在牙膏管,因此,人们怀疑布雷斯·帕斯卡(Blaise Pascal,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。
  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。

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