千斤顶为什么“力大无穷”？

出品：科普中国

制作：陈星

监制：中国科学院计算机网络信息中心

生活中我们能够接触到的各种各样的千斤顶，主要有齿条千斤顶，螺旋千斤顶，液压千斤顶等类别。那么，不同种类千斤顶的“举重”原理又有何不同呢？接下来我们将逐一介绍一下。

首先是齿条千斤顶，原理图如下所示。齿条千斤顶是纯粹的机械式千斤顶。从它长长的摇柄不难看出，它省力是因为杠杆原理。这和辘轳省力的原理是一样的。

齿条千斤顶（图片来源：http://www.chinabaike.com/ ）

接下来是螺旋千斤顶，它也利用的是杠杆原理。和上面的齿条千斤顶一样，这种千斤顶之所以省力是因为配套的摇杆比较长，它的内在机制简单来说就是力的传送。

螺旋千斤顶（图片来源：http://www.txadw.com/wap/）

不管是齿条千斤顶还是螺旋千斤顶，它们本质上都是一种力的传动系统，实际使用起来并不是很省力。而最省力千斤顶应该就是液压千斤顶了。对于液压千斤顶，大家多多少少应该用过，或至少应该见过。这种千斤顶似乎是力大无穷的，好像能举起任何重物。

液压千斤顶 （图片来源：https://www.indiamart.com/）

从上方的千斤顶原理图中可以看出，液压千斤顶其实就是一个液压系统。接下来笔者就来简单介绍一下液压千斤顶举起重物的理论依据——帕斯卡原理。

帕斯卡原理简单地说，就是在液压系统中一个活塞上施加一定的压力，这个活塞表面压强的增加必将在另一个活塞上产生相同的压强增量，用公式表示就是：

（F表示活塞表面的压力，A表示活塞的面积）

有了帕斯卡原理，我们就可以很容易地理解液压千斤顶的工作原理了。

液压千斤顶工作原理图（图片来源：http://www.lhqzby.com/）

上图为一般液压千斤顶的工作原理图，看起来有些复杂。简化后的原理图如下所示：

非对称U型管示意图

简单来说，液压千斤顶其实就是一个不对称的U型管。我们可以根据高中物理知识，来理解液压千斤顶“举重若轻”的原因。

如上图所示，当这个U型管里面充满液体时，两边的液面应该是持平的，因为两边所受的大气压强相等。此时，如果向左边的管子施加压一个压力，管子的压强会增加，右边的水面也会相应地上升一定的高度，这样两边的压强才会再次相等，且这种现象和两边水管的粗细并没有关系。

不过省力的千斤顶用起来可不一定省时，因为小活塞下降与大活塞上升的高度和两个活塞的面积是成反比的——活塞面积越小，需要上升或下降的高度越大。因此，千斤顶的大面积比同时也意味着按压小活塞的次数的增多。

日常生活中不管是使用上面的哪一种类型的千斤顶提升重物，你可能都会觉得省了好多力气，但其实这样说只说对了一半。意思就是，虽然使用它们确实比不使用要省力，但是你耗费的总能量却没有变。拿液压千斤顶来说，按压一次小活塞确实很省力，但是要升起重物，我们需要反复按压好多次，因而所需输出的总能量并没有变，能量前前后后都是守恒的。

进一步地说，生活中的各种省力器材，包括千斤顶、动轮滑、斜面、杠杆等等，都是省力不省功的。使用它们并不会使你获得额外的力量，在某种程度上它们只是采用了“分而治之”的策略，让你成功实现给看似不可能抬起来的重物做功。

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