帕斯卡原理:用水放大力
一头大象和一位穿高跟鞋的女士:谁会在松软的泥地上陷得更深?可能是那位女士。大象比她重五十倍,但它的重量分散在四只宽大的脚掌上;而她的重量集中在细细的鞋跟尖上。
让地面下陷的不是力,而是压强:力除以它所作用的面积。
$$p=\frac FA.$$压强的单位是帕斯卡:$1\ \text{Pa}=1\ \text{N/m}^2$,即一牛顿的力分布在一平方米上。这是很小的压强;在海平面,大气压强大约是 $100\,000$ Pa。
关于液体的论著 大约在 1653 年,帕斯卡写成了《论液体的平衡》,这本书在他去世后的 1663 年才出版。书中有一条我们今天称为帕斯卡原理的规律:
在密闭容器内静止的液体中,任一点所增加的压强,会等值地传递到液体的各个部分和容器壁上。
在中间捏一管牙膏,牙膏会从管口挤出来:你手指的压强传到了那里。把一个气球灌满水,在几个地方扎上小孔再一挤:水会从每一个孔向各个方向喷出来。
被撑破的木桶 据说帕斯卡做过一个著名的演示。他拿来一个装满水、封得很严的木桶,在桶盖上插了一根又细又高、约 10 米长的管子。他登上阳台,往管子里倒水。只倒了一升多一点,木桶就破裂了。
我们不知道这一幕是否完全如此发生,但计算表明它是可能的。高度为 $h$ 的液柱底部的压强是
$$p=\rho gh,$$其中 $\rho$ 是液体的密度,$g\approx9.8\ \text{m/s}^2$。对于 10 米高的水柱,$\rho=1000\ \text{kg/m}^3$,
$$p=1000\cdot9.8\cdot10=98\,000\ \text{Pa}.$$起作用的是水柱的高度,而不是水的多少。如果管子的横截面是 $1\ \text{cm}^2$,10 米高的水只有 $1$ 升。但这 $98\,000$ Pa 会传到整个桶盖上。如果桶盖的面积是 $0.2\ \text{m}^2$,它受到的力就是
$$F=pA=98\,000\cdot0.2=19\,600\ \text{N},$$相当于两吨重的物体。细管里的一升水推着桶盖,就像有一辆汽车压在上面。
水压机 帕斯卡意识到,他可以利用这条原理来放大力。设想两个装满水的圆筒,底部相连,各用一个活塞封住,一个细,一个粗。用力 $F_1$ 推细活塞,压强增加 $F_1/A_1$,同样的增量传到粗活塞上:
$$\frac{F_1}{A_1}=\frac{F_2}{A_2}\quad\Longrightarrow\quad F_2=F_1\cdot\frac{A_2}{A_1}.$$ 一个人推动小活塞,就能抵得上一百个人推动大一百倍的活塞的力量。
— 布莱兹·帕斯卡,《论液体的平衡》 如果小活塞的面积是 $2\ \text{cm}^2$,大活塞是 $8\ \text{cm}^2$,比值就是 $4$。在小活塞上施加 $50$ N 的力,大活塞上就得到 $200$ N。抬起汽车的液压千斤顶、用一只脚的力就能让汽车停下的刹车,还有挖掘机,都是这样工作的。
小活塞上的力(N): 面积之比 A₂/A₁: 理想模型:两个活塞高度相同,小活塞面积 2 cm²,流体不可压缩。
改变力的大小和两个面积之比。大活塞上的力变大了,但它移动的距离按同样的比例变小。 请启用 JavaScript 以使用控件。正文中也算出了这些例子。