小知識(shí)，大智慧

任莉

【摘 要】從陜西名小吃饸饹出發(fā)，簡單討論了物理知識(shí)在液壓雙缸饸饹機(jī)中的應(yīng)用，包括液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟怼簤簜鲃?dòng)原理、彈簧彈性力與胡克定律以及彈簧的串并聯(lián)，利用基礎(chǔ)物理知識(shí)解釋了液壓雙缸饸饹機(jī)的基本工作原理?？梢姡灰覀冴P(guān)愛生活，原本枯燥的物理知識(shí)也可以成為我們便利生活的潤滑劑。

【關(guān)鍵詞】液壓雙缸饸饹機(jī)；液壓千斤頂；液壓傳動(dòng)原理；胡克定律

2013年10月25日央視《我愛發(fā)明》欄目播出節(jié)目《巧壓饸饹》，液壓雙缸饸饹機(jī)以千斤頂為動(dòng)力源，但擺脫了以杠桿原理工作的饸饹機(jī)，直接將千斤頂垂直固定在壓面缸上空橫梁上，利用作用力與反作用力原理進(jìn)行壓饸饹面，省時(shí)省力，吃起來美味可口。

陜西名小吃饸饹，作為北方面食三絕之一，與蘭州拉面、山西刀削面齊名，古稱“河漏”。饸饹好吃，但是面難壓。目前，在進(jìn)行饸饹的加工時(shí)，通常是將和好的面團(tuán)放入底部具有若干通孔的加工容器中，之后通過擠壓工具對(duì)容器內(nèi)的面團(tuán)進(jìn)行擠壓，面團(tuán)受壓后由容器底部通孔被擠出，即加工成饸饹。但是，加工裝置多為手動(dòng)，通過人力對(duì)面團(tuán)進(jìn)行擠壓，效率低下，并且加工者極為費(fèi)力。在節(jié)目《巧壓饸饹》中介紹到的賈雯靜設(shè)計(jì)的實(shí)用新型液壓雙缸饸饹機(jī)（如圖1所示），包括兩個(gè)并列設(shè)置的支撐架，支撐架之間設(shè)置有壓面缸，兩個(gè)支撐架上分別豎直設(shè)置有滑道，滑道頂端通過橫梁連接，橫梁的中央處設(shè)置有豎直放置的液壓裝置的一端，液壓裝置的另一端設(shè)置有水平的滑動(dòng)架及活塞。通過對(duì)液壓裝置的饸饹面團(tuán)進(jìn)行擠壓，減小了操作者的體力消耗，并且由于設(shè)置了兩個(gè)可動(dòng)的壓面缸，在替換面團(tuán)的同時(shí)可以使用另一壓面缸進(jìn)行饸饹的制作，從而提高了效率。

1.千斤頂?shù)墓ぷ髟?/p>

相比較于傳統(tǒng)的利用杠桿原理工作的饸饹機(jī)，液壓饸饹機(jī)直接利用了千斤頂裝置。實(shí)驗(yàn)早期也試用了在杠桿原理基礎(chǔ)上加上千斤頂，但發(fā)現(xiàn)饸饹機(jī)的支架很容易就變形毀壞，后來直接將千斤頂垂直固定在橫梁上，才有了后期的饸饹機(jī)。下面我們首先就液壓饸饹機(jī)中的千斤頂來簡單討論其中的物理知識(shí)。

千斤頂是一種起重高度小（小于1m）的最簡單的起重設(shè)備。它有機(jī)械式和液壓式兩種。機(jī)械式千斤頂又有齒條式與螺旋式兩種，由于起重量小，操作費(fèi)力，一般只用于機(jī)械維修工作，在工程中應(yīng)用不廣。液壓式千斤頂結(jié)構(gòu)緊湊，工作平穩(wěn)，且有自鎖作用，故在工程和實(shí)際生活中使用廣泛。

1.1“液壓傳動(dòng)”原理

液壓千斤頂主要運(yùn)用的是“液壓傳動(dòng)”原理。圖2為“液壓傳動(dòng)”的原理簡化圖，設(shè)活塞1和3的面積分別為s1、s2：

1.1.1 等壓特性

根據(jù)帕斯卡定律“平衡液體內(nèi)某一點(diǎn)的液體壓強(qiáng)等值地傳遞到液體內(nèi)各處”，即：

1.1.2 等體積特性

假設(shè)小活塞1向下移動(dòng)距離，則液壓缸2被擠出的液體體積為。這部分液體進(jìn)入液壓缸4，使大活塞3上升，其讓出的體積為。即：

（2）

活塞1的速度，活塞3的速度，則有：。

能量守恒特性

∵；

∴ （3）

等式左邊和右邊分別代表輸出和輸入的功率。這說明液壓傳遞在不考慮損耗的情況下，可以實(shí)現(xiàn)能量的等值傳遞。

1.2 千斤頂?shù)墓ぷ髟?/p>

下面我們根據(jù)“液體傳動(dòng)”原理來分析液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟怼?/p>

如圖3所示，大油缸9和大活塞8組成“舉升液壓缸”。杠桿手柄1、小油缸2、小活塞3、單向閥4和7組成“手動(dòng)液壓泵”。如提起手柄使小活塞向上移動(dòng)，小活塞下端油腔容積增大，形成局部真空，這時(shí)單向閥4打開，通過吸油管5從油箱12中吸油；用力壓下手柄，小活塞下移，小活塞下腔壓力升高，單向閥4關(guān)閉，單向閥7打開，下腔的油液經(jīng)管道6輸入舉升油缸9的下腔，迫使大活塞8向上移動(dòng)，頂起重物。再次提起手柄吸油時(shí)，單向閥7自動(dòng)關(guān)閉，使油液不能倒流，從而保證了重物不會(huì)自行下落。不斷地往復(fù)扳動(dòng)手柄，就能不斷地把油液壓入舉升缸下腔，使重物逐漸地升起。如果打開截止閥11，舉升缸下腔的油液通過管道10、截止閥11流回油箱，重物就向下移動(dòng)。這就是液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟怼?/p>

當(dāng)用力壓下手柄時(shí)，液壓千斤頂其實(shí)就是前面分析的“液壓傳動(dòng)系統(tǒng)”。根據(jù)前面的分析易知：，同時(shí)，杠桿手柄1又運(yùn)用了一個(gè)杠桿原理。即： 。所以，手的作用力<<。這樣，就達(dá)到了液壓千斤頂?shù)摹八膬蓳芮Ы铩钡淖饔昧?。同時(shí)，由于單向閥7的作用，使得力F除去的時(shí)候，液壓油不能回流，這樣就使得液壓千斤頂具有自鎖的功能。

通過使用一個(gè)垂直固定在壓面缸橫梁上的千斤頂代替原來的杠桿，確實(shí)比改進(jìn)前的饸饹機(jī)速度上加快不少，但這也局限于單缸面粉的比拼，在多缸面粉時(shí)，優(yōu)勢(shì)并不是非常明顯，原因在于千斤頂回縮較慢，導(dǎo)致圖1中與伸出的活塞桿相連的推壓器4從面缸5中撤出速度較慢，從而影響了下一缸面粉的填補(bǔ)，那么有什么辦法可以加快千斤頂?shù)幕乜s，從而縮短兩缸面粉加工過程中浪費(fèi)的時(shí)間呢？結(jié)合千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)裝置可知，千斤頂?shù)幕乜s，依賴的正是彈簧的彈性力，那能不能在原有彈性力的基礎(chǔ)上，增加作用力，從而縮短作用時(shí)間呢？在這里我們也正是利用增加彈簧，從而達(dá)到增大作用力的。下面我們以兩根輕彈簧為例，討論不同的連接方式下作用力的關(guān)系。

2. 彈簧彈性力、胡克定律

輕彈簧是一種理想化的物理模型，以輕彈簧為載體，設(shè)置復(fù)雜的物理情景，可以考查力的概念、物體的平衡、牛頓定律的應(yīng)用、能的轉(zhuǎn)化與守恒，以及學(xué)生分析問題、解決問題的能力，所以這也是高考以及大學(xué)物理的重點(diǎn)難點(diǎn)之一。

2.1兩根彈簧串聯(lián)

根據(jù)受力分析可知，兩根輕彈簧串聯(lián)達(dá)到平衡時(shí)，各彈簧所受外力相等，即：，如圖4所示。

設(shè)兩彈簧的等效彈簧形變量為x，兩彈簧（勁度系數(shù)分別為k1和k2）各自的形變量分別為x1和x2，三者關(guān)系為：。

根據(jù)胡克定律：，可知： 。可得等效彈簧的勁度系數(shù)為 （4）

也就是說，兩彈簧串聯(lián)后勁度系數(shù)變小，串聯(lián)的彈簧越多，勁度系數(shù)越小，相同的彈簧形變下，作用力越小。

（5）

也就是說，彈簧并聯(lián)后勁度系數(shù)變大，且并聯(lián)的彈簧越多勁度系數(shù)越大，相同的彈簧形變下，作用力越大。

3. 結(jié)論

綜上所述，在實(shí)用新型液壓雙缸饸饹機(jī)中，巧妙利用了根據(jù)“液體傳動(dòng)”原理的千斤頂和彈簧的并聯(lián)特征，相對(duì)于傳統(tǒng)的杠桿原理的饸饹機(jī)，可以更為輕松、高效地壓制出饸饹面，從而方便了我們的生活?？梢?，看似枯燥的物理小知識(shí)在日常生活中卻有大作用，只要我們關(guān)愛生活、觀察生活，物理知識(shí)可以不同程度的便利我們的生活。從另一個(gè)角度來說，也給我們物理教師提出提醒，物理課程是同學(xué)公認(rèn)的比較難、比較枯燥的學(xué)科，那么我們是否可以換個(gè)方式給學(xué)生來介紹物理知識(shí)呢？比如帶領(lǐng)學(xué)生走出課堂，在條件允許的情況下，讓學(xué)生親自去探索、研究物理知識(shí)，我想這遠(yuǎn)比在教室里告訴他要有趣的多。