生活科普:液压杆为何如此有劲儿?人力能对抗液压臂吗?
来源:科学信仰
发布时间:2022-01-20
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液压杆在我们的生活中有着广泛的应用,小到具有储物功能的床、具有升降功能的转椅,大到挖掘机、工程起重机和叉车等等,都会使用到液压技术。

有了液压杆,很多十分费力的东西都会变得十分轻松,比如一张具有储物功能的床,如果没有安装液压杆,那么我们需要花费不小的力气把床板掀起来,而在安装了液压杆之后,我们只需要轻轻拽一下,液压杆就会轻而易举地把床板顶起来。在工程机械方面就更是如此了,不管多么硬的土石,挖掘机都可以通过液压技术一挖而起。

那么问题来了,即便是挖掘机上的液压杆,看起来也并不是很粗很大,那么这小小的液压杆为什么会如此有劲儿呢?

我们可以把液压杆简化看成是一个装有液体的活塞,要解释液压杆的原理,首先就必须要提到一个人,那就是法国数学家和物理学家布莱士·帕斯卡,他在1653年的时候提出了一个定律,即“帕斯卡定律”。

帕斯卡定律又称“静压传递原理”,这一原理指明在密闭的液体中任意一点上施加的压力都会瞬间传遍液体的各个部分,且压力的大小不会改变。

说得更简单一点,就是如果液体的静止状态不发生改变,那么我们在液体任一局部施加一个压力,液体中每个点的压强都会发生同等大小的变化。有了这个定律之后,帕斯卡就据此发明了针筒,没错,我们现在打针使用的针筒就是这位物理学家发明的。

因为在密闭容器内,施加于静止液体上的压强将同时传到各点,所以在我们推动针筒的时候,液体就在针头处被挤压出来了。

其实,液压杆就是个针筒,而要轻松推动这个针筒,我们只需要另外一个小针筒就可以了。假设现在我们拥有一个直径为4厘米的大针筒和一个直径为1厘米的小针筒,我们将两个针筒用一根管子连接起来并注满液体,然后我们让来个人分别推大针筒和小针筒,那么谁能够取胜呢?当然是推小针筒的那个。为什么呢?因为液体的压强等于施加的压力除以受力面积,也就是说在施加力相同的情况下,受力面积越小,液体的压强就越大。

小针筒的直径为1厘米,它的受力面积就约为0.79平方厘米,大针筒的直径为4厘米,它的受力面积就约为12.56平方厘米,也就是说大针筒的受力面积约为小针筒的16倍,所以在施加的力相同的情况下,小针筒产生的压强是大针筒的16倍,所以小针筒轻而易举就能推动大针筒。

现在明白了吧,我们可以将液压杆想象成一个由两个粗细不同的活塞所组成的机械系统,小活塞只要轻轻一用力,就可以赋予大活塞摧枯拉朽般的力量。明白了这个道理,我们只需要一根小小的针筒就可以与强大的液压臂相对抗了。

让我们来进行一个有趣而并不精确的计算。

我们最常见的采用液压技术的大型机械就是挖掘机了,挖掘机上的液压臂有多粗,我并不能确定,反正是一只手握不过来,就算它的直径为10厘米吧,那么它的受力面积就是78.5平方厘米,而一般挖掘机斗杆的挖掘力量约为10000公斤,那么人的推力有多大呢?一个成年人推个100公斤应该不成问题,也就是说挖掘机的力量是人力的100倍,所以我们只需要一个受力面积是挖掘机液压臂1/100的小针筒就可以获得与挖掘机相等的力量,而一个受力面积为0.785平方厘米的针筒直径约为1厘米,所以我们只需要一个直径1厘米的小针筒就可以和挖掘机打个平手。

当然这只是理论上,实际上针筒的强度不够,所以在对抗时可能会爆炸,转椅液压杆爆炸也是相同的原因,就是瞬间压力值超过了液压杆内壁的承受能力。

那么如何才能避免液压杆爆炸呢?如果是正规厂家生产的正规产品,理论上材料强度应该经过压力测试,一般是没有问题的,但问题是很多人根本不能确定自己的椅子是不是合格产品,那么怎么办呢?手动安装个防爆钢板吧,我就自己在转椅下面的液压杆上方安了一个,30厘米见方的一块小钢板,售价300大元,号称子弹都打不穿。我们用“大小针筒”的例子只是为了说明液压杆的基本原理,事实上液压机械中的液压杆并不是靠一个小针筒推动的,一方面是因为小针筒的强度不够,另一方面是因为小针筒的长度不够,所以在大型液压机械中都是用一种叫做“液压泵”的东西来发挥小针筒的作用。



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