恩派克千斤顶为什么“力大无穷”?

2019-06-27 13:55
文章附图

生活中我们能够接触到的各种各样的恩派克千斤顶,主要有齿条千斤顶,螺旋千斤顶,液压千斤顶等类别。那么,不同种类千斤顶的“举重”原理又有何不同呢?接下来我们将逐一介绍一下。


首先是齿条千斤顶,原理图如下所示。齿条千斤顶是纯粹的机械式千斤顶。从它长长的摇柄不难看出,它省力是因为杠杆原理。这和辘轳省力的原理是一样的。

恩派克

接下来是螺旋千斤顶,它也利用的是杠杆原理。和上面的齿条千斤顶一样,这种千斤顶之所以省力是因为配套的摇杆比较长,它的内在机制简单来说就是力的传送。

恩派克

不管是齿条千斤顶还是螺旋千斤顶,它们本质上都是一种力的传动系统,实际使用起来并不是很省力。而最省力千斤顶应该就是液压千斤顶了。对于液压千斤顶,大家多多少少应该用过,或至少应该见过。这种千斤顶似乎是力大无穷的,好像能举起任何重物。

恩派克

下液压千斤顶举起重物的理论依据——帕斯卡原理。


帕斯卡原理简单地说,就是在液压系统中一个活塞上施加一定的压力,这个活塞表面压强的增加必将在另一个活塞上产生相同的压强增量,用公式表示就是:


千斤顶为什么“力大无穷”?

(F表示活塞表面的压力,A表示活塞的面积)


有了帕斯卡原理,我们就可以很容易地理解液压千斤顶的工作原理了。

简单来说,液压千斤顶其实就是一个不对称的U型管。我们可以根据高中物理知识,来理解液压千斤顶“举重若轻”的原因。


如上图所示,当这个U型管里面充满液体时,两边的液面应该是持平的,因为两边所受的大气压强相等。此时,如果向左边的管子施加压一个压力,管子的压强会增加,右边的水面也会相应地上升一定的高度,这样两边的压强才会再次相等,且这种现象和两边水管的粗细并没有关系。


千斤顶为什么“力大无穷”?

不过省力的千斤顶用起来可不一定省时,因为小活塞下降与大活塞上升的高度和两个活塞的面积是成反比的——活塞面积越小,需要上升或下降的高度越大。因此,千斤顶的大面积比同时也意味着按压小活塞的次数的增多。


日常生活中不管是使用上面的哪一种类型的恩派克千斤顶提升重物,你可能都会觉得省了好多力气,但其实这样说只说对了一半。意思就是,虽然使用它们确实比不使用要省力,但是你耗费的总能量却没有变。拿液压千斤顶来说,按压一次小活塞确实很省力,但是要升起重物,我们需要反复按压好多次,因而所需输出的总能量并没有变,能量前前后后都是守恒的。


进一步地说,生活中的各种省力器材,包括千斤顶、动轮滑、斜面、杠杆等等,都是省力不省功的。使用它们并不会使你获得额外的力量,在某种程度上它们只是采用了“分而治之”的策略,让你成功实现给看似不可能抬起来的重物做功。