【科普】千斤頂的原理

千斤頂的原理

　　由於17世紀時不存在牙膏管，因此，人們懷疑布雷斯·帕斯卡（BlaisePascal，1623－1662，法國著名的科學家和哲學家）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。不過，可以肯定的是，許多與液體靜壓力有關的其他效應都逃不出他的注意力，首先就是液壓起重機的原理。
　　
　　很久之前，工程師們就利用過這種類型的機器，今天，只要在停車場或者加油站，就可以看到液壓起重機，利用它使出一個孩子的力氣就能將一輛汽車抬起來。讓我們看看這種器械是如何工作的，並設法自己製作一個器械以供實驗之用。
　　
　　請看圖，用一根管手將兩個充滿了液體（水或油）的容器連起來。其中一個容器截面很大，另一個容器截面則很小，假設它比前一個截面小1000倍。如果用一個活塞（A）向下壓截面小的容器液面，液體就受到了一個壓力，這個壓力的強度會按照原來的大小傳遞到液體表面的任何其他部分，當然也包括在大截面容器裡與活塞（B）接觸的液體的表面。壓強等於作用力除以作用面積。

 

　　
　　根據帕斯卡原理，活塞A下的壓強與活塞B下的壓強相等，又由於活塞B下的面積比活塞A下的大1000倍，在它上面的作用力就應比在A上的作用力也大1000倍。因此，為了將一輛1噸重的汽車抬起來，只要1公斤的作用力就夠了。液壓制動器、壓縮機、汽車的千斤頂、水泵等許多器械都得益於這一原理。
　　
　　驗證帕斯卡原理的小實驗
　　
　　利用兩個去掉了針頭的注射器，我們就可以在家裡製作一個這類小型液壓裝置。

　　
　　比如，用一個截面為5平方釐米輸血用的粗注射器和一個截面為0．5平方釐米的很小的注射器，將它們的開口用又粗又短的管子連起來。根據帕斯卡原理，力的轉化係數大約為10。將水、油或其他的液體灌滿注射器，即兩個活塞中間的全部空間，注意將氣泡排除掉。然後請你的朋友用大姆指擠壓兩個活塞中的一個，你同時用大拇指擠壓另一個活塞。我們可以將這個小小的遊戲取名為「鐵大拇指的較量」，或者叫「帕斯卡大拇指的較量」。當然，誰擠壓細小的注射器，誰就會不費力氣地取勝。如果你有一定的創造力和做實驗的才能，就可以用一個彈簧測力計或者稱東西的磅秤（如圖3所示），想方設法去測量在擠壓兩個活塞中的一個時（或者用一個重量比活塞與注射器管壁之間的摩擦力大的砝碼）所施加的壓力，驗證一下帕斯卡原理，看看兩邊的壓力是否相等。不要忘記從測到的數值中減去擠壓注射器之前已存在的值，相當於這一系統的活動部分，即液體加上活塞的重量。
　　
　　最後，如果你想驗證作為壓力器的這種裝置的效能，可在磅秤盤子與大活塞之間放上一個核桃：你將會看到擠壓一下小注射器的活塞就能輕易地將核桃壓碎。
　　
　　用這種小機器就能完成「海格立斯」（宙斯之子，力大無窮，曾完成12項英雄業績）那樣的偉業。準備好一個充滿液體的封閉木桶（不要留有空氣，因為空氣在壓力下會被壓縮），就可以開始向你的朋友們演示了。將盛滿液體的木桶同一支同樣也灌滿液體的小注射器和小管子連起來，你將看到後兩者能將木桶瞬間擊碎。我們試著算一筆帳：一支截面為0．5平方釐米的普通注射器，用大拇指施加在活塞上的壓力為20公斤（用磅秤驗證一下，達到此重量並不難），結果出來的壓強竟是40個大氣壓！很少有木桶能承受住這樣的壓強。一位農民遺憾地發現了這種現象。他想通過一根很長的細管子將珍貴的葡萄酒從自己的鄉間農舍輸送到低30多米的山腳下的一位朋友家裡。一切都很順利：朋友家的酒桶灌滿了葡萄酒，但隨後液體管子內的壓力很快使木桶破碎，葡萄酒浸泡了房子。