千斤顶為何能把車子抬起來?

本文围绕千斤顶為何能抬起汽車這個問題,介绍了斜面省力與自锁原理,解釋了机械式千斤顶如何利用卷成螺旋状的斜面结合杠杆原理產生大抬升力,还提到了油压千斤顶采用液压傳動原理,说明不同形式的千斤顶工作原理基本一致。

千斤顶為何能把車子抬起來?

車胎在行車途中爆了,司机會停車换胎。这時就需要把車抬起來。一辆小車重約一公斤,一辆大卡車有好幾公斤,人是绝对抬不动的。但司机会从車上的工具箱里拿出一个千斤顶,很轻松地就把車抬起來了。一個小小的千斤顶怎么会有这么大的威力呢?它是依照什么原理工作的呢?

垂直向上提起重物的力必须大于或等于该物体所受到的重力。但用斜面向上推动一个重物所需的力要小得多。斜面的倾角越小,斜面和物体之间的摩擦力越小,所需的推力就越小。因此,在往卡车上装重物时,人们常常在卡车后面搭上倾斜的跳板,沿着跳板把重物推上卡车,这样省力得多。那么,沿着斜面向上推重物时,一松手,重物是否会沿着斜面滑下来呢?这样岂不前功尽弃吗?如果斜面比较陡,这种情况是完全可能的。但如果斜面倾角较小,重力沿斜面的分量等于重物和斜面之间的摩擦力,重物在没有推力的情况下也不会下滑。这种现象称为 “自锁”。这个原理在生活中也有应用,比如在矿井支柱施工中用楔块顶起顶梁。在顶梁下打入楔块后,只要满足自锁条件,顶梁就不会沿着楔块的斜面滑下来。

搭建斜面需要很大的空间,而现实生活和工程现场往往没有这样的条件。我们可以把斜面绕着一个垂直轴卷起来,形成一个螺旋面。这实际上等于在狭窄的空间内搭建了一个斜面,形状就像楼房里的螺旋形楼梯。我们平时见到的螺纹就是这样的螺旋面,当然螺纹的升角也要满足自锁条件。当螺栓在螺母中转动时,实际上就是一个物体在斜面上滑动,只是推力被力偶矩代替了。千斤顶的结构就相当于一个卷起来的斜面。它的底座就是一个大螺母,顶杆就是一个螺栓。顶杆又和一根长长的把手相连,这里又利用了物理学中的杠杆原理,当我们通过转动把手两端,用不太大的力偶矩使顶杆转动时,在顶部就会产生很大的顶升力,轻而易举地把車抬起來。

千斤顶有多种不同的形式,但工作原理基本上是一样的。还有一种油压千斤顶,采用的是液压传动原理。