审核专家:孟梦

中国科学院物理研究所副研究员

在闲暇或吃饭时,人们总喜欢打开一段视频作为消遣的乐子,有人看手工艺,有人看搞笑集锦,有人重口味一点,看掏耳朵、挤痘痘,当然还有人看液压机压倒一切。

液压机挑战最坚固的东西(多硬的东西都能压碎)(1)

解压神器 来源丨网络

液压机挑战最坚固的东西(多硬的东西都能压碎)(2)

液压机压钻石(人造) 来源丨网络

在视频中,在液压机下万事万物仿佛都能被轻易的挤压、爆裂,从柔软的皮球到坚硬的钻石,只是花费的时间不同,液压机 “淡定”地碾碎着一切。

如果你身边有液压机,或者你曾经在视频中看到过液压机,那么你就会发现设备本身并不大,甚至于还很轻便,但是这种“四两拨千斤”的效果就聚集在小小的仪器中。

是什么赋予了液压机力量?

液压机挑战最坚固的东西(多硬的东西都能压碎)(3)

其实,原理并不复杂,咱们依然先从简单的概念说起。

帕斯卡定律

别看这个原理初中没听说过,高中也没见过,就觉得很复杂。帕斯卡原理其实就出自流体静力学,在静止的液体中,由于液体的流动性,任何一点受到外力产生的效果,会瞬间且无损失地传递到流体的各点。

其中,在液压系统中通常会使用油或者水等液体来传导和放大力的作用,这是出于对物质微观排列的考虑。

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3种微观粒子的空间排列 来源丨网络

从图上可以清晰地看出来,液体和固体的微观粒子间隙都不大,但是要使室温中也能随意形变(流动),液体就是最好的状态了。同时液体分子间作用力很大,分子结合较为紧密,分子间距离始终保持稳定。

在流体静力学中,宏观上可认为液体的可压缩性非常小,基本可以忽略液体受力被压缩时的体积变化,因此,液体具有几乎完美的传导力天赋。

杠杆原理

看到这个标题,会不会有人觉得奇怪,明明说的是流体的高端概念,怎么就变成和力学有关的初中知识了。

这就是初中课本安排的深意啊,很多复杂结构的起源不过就是初中某个你当初不太在意的定义。

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言归正传,我们将一整个液压系统拆分,先从杠杆原理入手,分步细致地讲解描述一下它的工作方式和物理原理

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液压机的杠杆原理 来源 | 作者

首先,我们观察右半侧的图像,这是一个经典的杠杆结构,其中O为支点,F为动力,向上的F1为阻力,动力臂AO设为L1,阻力臂BO设为L2。

根据杠杆原理可知,动力×动力臂=阻力×阻力臂,即:

F·L1=F1·L2

我们可以清晰的看到,当L1增大时,所需要的F就会变小,这就可以省去一部分力量了。

压强公式

当然,单纯的杠杆原理并不足以解决问题,我们还需要讨论压强。

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液压机 来源 | 网络

没错,还是这个图。这次我们观察图像的中心部分,左右两个活塞对水面都有正压力,故活塞和水面之间都有压强,我们记为P2和P1。

根据牛顿第三定律,右侧活塞对液体的压力与杠杆阻力F1是相互作用力,相互作用力等大反向,故右侧活塞对液体的压力也记为F1,左侧液体对活塞的压力记为F2。

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相互作用力等大反向 来源 | 网络

此时的图像所代表的液压器受力如图:

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液压机的压强公式图 来源 | 作者

在文章的最开始我们说到,帕斯卡原理中力会通过流体无损的传递到各点,即左右两液面所感受到的压强是一致的,P2 = P1

根据压强公式,压强=压力/接触面积,即

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因此,可以比较简单的推导出最终的结论:

液压机挑战最坚固的东西(多硬的东西都能压碎)(11)

发现没有,两个力之间的比例与两个液体的接触面积有关。即扩大接触面积的比例,就可以轻松的用很小的力量产生较大的力。

液压机的缺点

但是,液压机真的能如此完美吗?

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那当然也不可能。由于液压机的基础原理是杠杆,必然就会出现省力但是费距离的情况,也就是说使用较小的力的时候,需要的位移就会比较大。例如我们在用千斤顶顶起车辆时,手臂下压的压力远小于车辆自身重力,然而手柄一端的距离总长度会远大于车辆升起的高度。

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千斤顶原理(左侧为重物,升高缓慢,右侧为人施力过程,施力幅度明显大于重物上升距离) 来源 | 网络

生活应用

当然,生活中也有很多反向操作的例子。比如,打针的时候,人的力气是很大的,但是脆弱的血管并没有收到很大的冲击力,这是为什么呢?

如果手边有针管的可以感受一下,将灌满水的针筒的针头去掉后,手指轻轻堵住出水口,用很大的力去推动活塞,手指也几乎感觉不到力。

这就是因为接触面积的比例变了,现在是施力F1的接触面积大于F2的接触面积,如果还用刚才设定的符号来表示,应该是

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自然F2的力量远小于F1。

液压机挑战最坚固的东西(多硬的东西都能压碎)(15)

来源 | 作者

生活中类似的应用还有很多,比如使用液力变矩器的汽车AT变速箱;汽车的刹车系统,通过液压系统将脚踩踏板的力放大使高速行驶的汽车进行制动等,都一一应用了液压机的原理。

现在明白了吗?物理并不复杂,这种“以小博大”的智慧你在生活中一定会用到的!

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