2025年高考物理]水力“永動(dòng)機(jī)”

　　[趣味物理]水力“永動(dòng)機(jī)”

　　在許多“永動(dòng)機(jī)”的設(shè)計(jì)當(dāng)中，有不少是根據(jù)物體在水里能浮起的原理設(shè)計(jì)的。讓我們從這一類的發(fā)明里選一種來(lái)談一談這是一個(gè)高20米、里面裝滿水的高塔。在塔的上下兩頭各裝一個(gè)滑輪，滑輪上繞一條堅(jiān)固的繩索，就像一條循環(huán)帶。在繩上裝上14只空的方箱，方箱的每邊長(zhǎng)1米。方箱是用鐵皮制成的，水不能夠透進(jìn)去。圖198和圖199畫(huà)的就是這種塔的外形和它的縱剖面。

　　這種裝置是怎樣工作的呢？每一個(gè)懂得阿基米德原理的人都能理解，水里的鐵箱一定要往上面浮。推它們上升的力就是它們所排開(kāi)的水的重力，也就是1三次方米水的重力乘上浸在水里的鐵箱數(shù)。從圖上可以看出，水里經(jīng)常會(huì)有6只鐵箱，這就是說(shuō)把這些沉在水里的鐵箱往上推的力是6三次方米水的重力，或58800牛頓。鐵箱本身的重力自然在把自己向下拉，但是掛在塔外繩索上的6只鐵箱也在向下沉，所以兩方面的力是平衡的。

　　這樣，那條按照上面說(shuō)的方式轉(zhuǎn)動(dòng)的繩索，經(jīng)常在塔的里面維持著58800牛頓向上的牽引力。顯然，這個(gè)力會(huì)迫使繩索不停地在滑輪上滑動(dòng)，這時(shí)它們每轉(zhuǎn)一周所做的功是58800×20＝1176000焦耳。

　　如果全國(guó)布滿了這樣的塔，我們就可以從它們那里得到無(wú)窮的功，這足夠供給我們?nèi)珖?guó)使用。這樣的塔會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)，使我們得到無(wú)窮盡的電能。

　　可是，我們?nèi)绻�仔�?xì)研究一下這個(gè)設(shè)計(jì)，就很容易看出，繩索完全沒(méi)有動(dòng)的可能。

　　為了使這根循環(huán)的繩索轉(zhuǎn)動(dòng)，必須讓這些鐵箱能夠從下面進(jìn)人水塔，從上面離開(kāi)水塔。可是我們知道，鐵箱在進(jìn)入水塔的時(shí)候，必須克服20米高的水柱的壓力！這個(gè)壓在鐵箱的每一平方米面積上的壓力，不多不少，恰好是19．6萬(wàn)牛頓（20三次方米水的重力），而向上的牽引力卻總共只有5．9牛頓，要用它來(lái)把鐵箱拉到水塔里去，顯然是不夠的。

　　在那些不會(huì)成功的發(fā)明家們所設(shè)計(jì)的無(wú)數(shù)種水力“永動(dòng)機(jī)”當(dāng)中，也可以找到一些最簡(jiǎn)單而且最巧妙的設(shè)計(jì)。

　　請(qǐng)看圖200。把一只裝在軸上的木制鼓形輪，一部分老是浸在水里。阿基米德的定律既然是靠得住的，那末，浸在水里的那部分鼓形輪就會(huì)往上浮；而且，只要水的推力比軸上的摩擦力大，那鼓形輪就會(huì)不停止地轉(zhuǎn)下去……

　　可是，且別忙著制造這樣的“永動(dòng)機(jī)”！你一定會(huì)失敗的，鼓形輪不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)的。為什么呢？我們的推理錯(cuò)在哪兒呢？原來(lái)我們忽略了作用力的方向了。這里的作用力永遠(yuǎn)是和鼓形輪的表面垂直的，也就是跟通往輪軸的半徑方向相同。

　　可是經(jīng)驗(yàn)告訴我們，順著輪子的半徑施力，輪子決不會(huì)轉(zhuǎn)。要它轉(zhuǎn)就得順著輪周的切線方向來(lái)施力。這樣一說(shuō)，就不難明白為什么這樣的“永恒”運(yùn)動(dòng)也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的可能了。

　　阿基米德的定律給了想發(fā)明“永動(dòng)機(jī)”的人一種富于誘惑力的精神食糧，曾經(jīng)鼓勵(lì)他們千方百計(jì)去把看去像是失去的重力用來(lái)做機(jī)械能的永恒源泉。但是他們的嘗試，沒(méi)有一個(gè)是成功的，也永遠(yuǎn)不可能得到成功。

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