小知识，大智慧

任莉

【摘 要】从陕西名小吃饸饹出发，简单讨论了物理知识在液压双缸饸饹机中的应用，包括液压千斤顶的工作原理——液压传动原理、弹簧弹性力与胡克定律以及弹簧的串并联，利用基础物理知识解释了液压双缸饸饹机的基本工作原理。可见，只要我们关爱生活，原本枯燥的物理知识也可以成为我们便利生活的润滑剂。

【关键词】液压双缸饸饹机；液压千斤顶；液压传动原理；胡克定律

2013年10月25日央视《我爱发明》栏目播出节目《巧压饸饹》，液压双缸饸饹机以千斤顶为动力源，但摆脱了以杠杆原理工作的饸饹机，直接将千斤顶垂直固定在压面缸上空横梁上，利用作用力与反作用力原理进行压饸饹面，省时省力，吃起来美味可口。

陕西名小吃饸饹，作为北方面食三绝之一，与兰州拉面、山西刀削面齐名，古称“河漏”。饸饹好吃，但是面难压。目前，在进行饸饹的加工时，通常是将和好的面团放入底部具有若干通孔的加工容器中，之后通过挤压工具对容器内的面团进行挤压，面团受压后由容器底部通孔被挤出，即加工成饸饹。但是，加工装置多为手动，通过人力对面团进行挤压，效率低下，并且加工者极为费力。在节目《巧压饸饹》中介绍到的贾雯静设计的实用新型液压双缸饸饹机（如图1所示），包括两个并列设置的支撑架，支撑架之间设置有压面缸，两个支撑架上分别竖直设置有滑道，滑道顶端通过横梁连接，横梁的中央处设置有竖直放置的液压装置的一端，液压装置的另一端设置有水平的滑动架及活塞。通过对液压装置的饸饹面团进行挤压，减小了操作者的体力消耗，并且由于设置了两个可动的压面缸，在替换面团的同时可以使用另一压面缸进行饸饹的制作，从而提高了效率。

1.千斤顶的工作原理

相比较于传统的利用杠杆原理工作的饸饹机，液压饸饹机直接利用了千斤顶装置。实验早期也试用了在杠杆原理基础上加上千斤顶，但发现饸饹机的支架很容易就变形毁坏，后来直接将千斤顶垂直固定在横梁上，才有了后期的饸饹机。下面我们首先就液压饸饹机中的千斤顶来简单讨论其中的物理知识。

千斤顶是一种起重高度小（小于1m）的最简单的起重设备。它有机械式和液压式两种。机械式千斤顶又有齿条式与螺旋式两种，由于起重量小，操作费力，一般只用于机械维修工作，在工程中应用不广。液压式千斤顶结构紧凑，工作平稳，且有自锁作用，故在工程和实际生活中使用广泛。

1.1“液压传动”原理

液压千斤顶主要运用的是“液压传动”原理。图2为“液压传动”的原理简化图，设活塞1和3的面积分别为s1、s2：

1.1.1 等压特性

根据帕斯卡定律“平衡液体内某一点的液体压强等值地传递到液体内各处”，即：

1.1.2 等体积特性

假设小活塞1向下移动距离，则液压缸2被挤出的液体体积为。这部分液体进入液压缸4，使大活塞3上升，其让出的体积为。即：

（2）

活塞1的速度，活塞3的速度，则有：。

能量守恒特性

∵；

∴ （3）

等式左边和右边分别代表输出和输入的功率。这说明液压传递在不考虑损耗的情况下，可以实现能量的等值传递。

1.2 千斤顶的工作原理

下面我们根据“液体传动”原理来分析液压千斤顶的工作原理。

如图3所示，大油缸9和大活塞8组成“举升液压缸”。杠杆手柄1、小油缸2、小活塞3、单向阀4和7组成“手动液压泵”。如提起手柄使小活塞向上移动，小活塞下端油腔容积增大，形成局部真空，这时单向阀4打开，通过吸油管5从油箱12中吸油；用力压下手柄，小活塞下移，小活塞下腔压力升高，单向阀4关闭，单向阀7打开，下腔的油液经管道6输入举升油缸9的下腔，迫使大活塞8向上移动，顶起重物。再次提起手柄吸油时，单向阀7自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了重物不会自行下落。不断地往复扳动手柄，就能不断地把油液压入举升缸下腔，使重物逐渐地升起。如果打开截止阀11，举升缸下腔的油液通过管道10、截止阀11流回油箱，重物就向下移动。这就是液压千斤顶的工作原理。

当用力压下手柄时，液压千斤顶其实就是前面分析的“液压传动系统”。根据前面的分析易知：，同时，杠杆手柄1又运用了一个杠杆原理。即： 。所以，手的作用力<<。这样，就达到了液压千斤顶的“四两拨千斤”的作用了。同时，由于单向阀7的作用，使得力F除去的时候，液压油不能回流，这样就使得液压千斤顶具有自锁的功能。

通过使用一个垂直固定在压面缸横梁上的千斤顶代替原来的杠杆，确实比改进前的饸饹机速度上加快不少，但这也局限于单缸面粉的比拼，在多缸面粉时，优势并不是非常明显，原因在于千斤顶回缩较慢，导致图1中与伸出的活塞杆相连的推压器4从面缸5中撤出速度较慢，从而影响了下一缸面粉的填补，那么有什么办法可以加快千斤顶的回缩，从而缩短两缸面粉加工过程中浪费的时间呢？结合千斤顶的结构装置可知，千斤顶的回缩，依赖的正是弹簧的弹性力，那能不能在原有弹性力的基础上，增加作用力，从而缩短作用时间呢？在这里我们也正是利用增加弹簧，从而达到增大作用力的。下面我们以两根轻弹簧为例，讨论不同的连接方式下作用力的关系。

2. 弹簧弹性力、胡克定律

轻弹簧是一种理想化的物理模型，以轻弹簧为载体，设置复杂的物理情景，可以考查力的概念、物体的平衡、牛顿定律的应用、能的转化与守恒，以及学生分析问题、解决问题的能力，所以这也是高考以及大学物理的重点难点之一。

2.1两根弹簧串联

根据受力分析可知，两根轻弹簧串联达到平衡时，各弹簧所受外力相等，即：，如图4所示。

设两弹簧的等效弹簧形变量为x，两弹簧（劲度系数分别为k1和k2）各自的形变量分别为x1和x2，三者关系为：。

根据胡克定律：，可知： 。可得等效弹簧的劲度系数为 （4）

也就是说，两弹簧串联后劲度系数变小，串联的弹簧越多，劲度系数越小，相同的弹簧形变下，作用力越小。

（5）

也就是说，弹簧并联后劲度系数变大，且并联的弹簧越多劲度系数越大，相同的弹簧形变下，作用力越大。

3. 结论

综上所述，在实用新型液压双缸饸饹机中，巧妙利用了根据“液体传动”原理的千斤顶和弹簧的并联特征，相对于传统的杠杆原理的饸饹机，可以更为轻松、高效地压制出饸饹面，从而方便了我们的生活。可见，看似枯燥的物理小知识在日常生活中却有大作用，只要我们关爱生活、观察生活，物理知识可以不同程度的便利我们的生活。从另一个角度来说，也给我们物理教师提出提醒，物理课程是同学公认的比较难、比较枯燥的学科，那么我们是否可以换个方式给学生来介绍物理知识呢？比如带领学生走出课堂，在条件允许的情况下，让学生亲自去探索、研究物理知识，我想这远比在教室里告诉他要有趣的多。