(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。
液压千斤顶工作原理图(图片来源:http://www.lhqzby.com/)
上图为一般液压千斤顶的工作原理图,看起来有些复杂。简化后的原理图如下所示:
非对称U型管示意图
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。
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。
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