審核專家：孟夢(mèng)

中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員

在閑暇或吃飯時(shí)，人們總喜歡打開(kāi)一段視頻作為消遣的樂(lè)子，有人看手工藝，有人看搞笑集錦，有人重口味一點(diǎn)，看掏耳朵、擠痘痘，當(dāng)然還有人看液壓機(jī)壓倒一切。

在視頻中，在液壓機(jī)下萬(wàn)事萬(wàn)物仿佛都能被輕易的擠壓、爆裂，從柔軟的皮球到堅(jiān)硬的鉆石，只是花費(fèi)的時(shí)間不同，液壓機(jī) “淡定”地碾碎著一切。

如果你身邊有液壓機(jī)，或者你曾經(jīng)在視頻中看到過(guò)液壓機(jī)，那么你就會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)備本身并不大，甚至于還很輕便，但是這種“四兩撥千斤”的效果就聚集在小小的儀器中。

是什么賦予了液壓機(jī)力量？

其實(shí)，原理并不復(fù)雜，咱們依然先從簡(jiǎn)單的概念說(shuō)起。

帕斯卡定律

別看這個(gè)原理初中沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)，高中也沒(méi)見(jiàn)過(guò)，就覺(jué)得很復(fù)雜。帕斯卡原理其實(shí)就出自流體靜力學(xué)，在靜止的液體中，由于液體的流動(dòng)性，任何一點(diǎn)受到外力產(chǎn)生的效果，會(huì)瞬間且無(wú)損失地傳遞到流體的各點(diǎn)。

其中，在液壓系統(tǒng)中通常會(huì)使用油或者水等液體來(lái)傳導(dǎo)和放大力的作用，這是出于對(duì)物質(zhì)微觀排列的考慮。

從圖上可以清晰地看出來(lái)，液體和固體的微觀粒子間隙都不大，但是要使室溫中也能隨意形變（流動(dòng)），液體就是最好的狀態(tài)了。同時(shí)液體分子間作用力很大，分子結(jié)合較為緊密，分子間距離始終保持穩(wěn)定。

在流體靜力學(xué)中，宏觀上可認(rèn)為液體的可壓縮性非常小，基本可以忽略液體受力被壓縮時(shí)的體積變化，因此，液體具有幾乎完美的傳導(dǎo)力天賦。

杠桿原理

看到這個(gè)標(biāo)題，會(huì)不會(huì)有人覺(jué)得奇怪，明明說(shuō)的是流體的高端概念，怎么就變成和力學(xué)有關(guān)的初中知識(shí)了。

這就是初中課本安排的深意啊，很多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的起源不過(guò)就是初中某個(gè)你當(dāng)初不太在意的定義。

言歸正傳，我們將一整個(gè)液壓系統(tǒng)拆分，先從杠桿原理入手，分步細(xì)致地講解描述一下它的工作方式和物理原理。

首先，我們觀察右半側(cè)的圖像，這是一個(gè)經(jīng)典的杠桿結(jié)構(gòu)，其中O為支點(diǎn)，F(xiàn)為動(dòng)力，向上的F1為阻力，動(dòng)力臂AO設(shè)為L(zhǎng)1，阻力臂BO設(shè)為L(zhǎng)2。

根據(jù)杠桿原理可知，動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂，即:

F·L1=F1·L2

我們可以清晰的看到，當(dāng)L1增大時(shí)，所需要的F就會(huì)變小，這就可以省去一部分力量了。

壓強(qiáng)公式

當(dāng)然，單純的杠桿原理并不足以解決問(wèn)題，我們還需要討論壓強(qiáng)。

沒(méi)錯(cuò)，還是這個(gè)圖。這次我們觀察圖像的中心部分，左右兩個(gè)活塞對(duì)水面都有正壓力，故活塞和水面之間都有壓強(qiáng)，我們記為P2和P1。

根據(jù)牛頓第三定律，右側(cè)活塞對(duì)液體的壓力與杠桿阻力F1是相互作用力，相互作用力等大反向，故右側(cè)活塞對(duì)液體的壓力也記為F1，左側(cè)液體對(duì)活塞的壓力記為F2。

此時(shí)的圖像所代表的液壓器受力如圖：

在文章的最開(kāi)始我們說(shuō)到，帕斯卡原理中力會(huì)通過(guò)流體無(wú)損的傳遞到各點(diǎn)，即左右兩液面所感受到的壓強(qiáng)是一致的，P2 = P1。

根據(jù)壓強(qiáng)公式，壓力=壓強(qiáng)/接觸面積，即

因此，可以比較簡(jiǎn)單的推導(dǎo)出最終的結(jié)論：

發(fā)現(xiàn)沒(méi)有，兩個(gè)力之間的比例與兩個(gè)液體的接觸面積有關(guān)。即擴(kuò)大接觸面積的比例，就可以輕松的用很小的力量產(chǎn)生較大的力。

液壓機(jī)的缺點(diǎn)

但是，液壓機(jī)真的能如此完美嗎？

那當(dāng)然也不可能。由于液壓機(jī)的基礎(chǔ)原理是杠桿，必然就會(huì)出現(xiàn)省力但是費(fèi)距離的情況，也就是說(shuō)使用較小的力的時(shí)候，需要的位移就會(huì)比較大。例如我們?cè)谟们Ы镯旐斊疖?chē)輛時(shí)，手臂下壓的壓力遠(yuǎn)小于車(chē)輛自身重力，然而手柄一端的距離總長(zhǎng)度會(huì)遠(yuǎn)大于車(chē)輛升起的高度。

生活應(yīng)用

當(dāng)然，生活中也有很多反向操作的例子。比如，打針的時(shí)候，人的力氣是很大的，但是脆弱的血管并沒(méi)有收到很大的沖擊力，這是為什么呢？

如果手邊有針管的可以感受一下，將灌滿水的針筒的針頭去掉后，手指輕輕堵住出水口，用很大的力去推動(dòng)活塞，手指也幾乎感覺(jué)不到力。

這就是因?yàn)?strong>接觸面積的比例變了，現(xiàn)在是施力F1的接觸面積大于F2的接觸面積，如果還用剛才設(shè)定的符號(hào)來(lái)表示，應(yīng)該是

自然F2的力量遠(yuǎn)小于F1。

生活中類(lèi)似的應(yīng)用還有很多，比如使用液力變矩器的汽車(chē)AT變速箱；汽車(chē)的剎車(chē)系統(tǒng)，通過(guò)液壓系統(tǒng)將腳踩踏板的力放大使高速行駛的汽車(chē)進(jìn)行制動(dòng)等，都一一應(yīng)用了液壓機(jī)的原理。

現(xiàn)在明白了嗎？物理并不復(fù)雜，這種“以小博大”的智慧你在生活中一定會(huì)用到的！