2025年高考物理]水力“永動機”

　　[趣味物理]水力“永動機”

　　在許多“永動機”的設計當中，有不少是根據物體在水里能浮起的原理設計的。讓我們從這一類的發明里選一種來談一談這是一個高20米、里面裝滿水的高塔。在塔的上下兩頭各裝一個滑輪，滑輪上繞一條堅固的繩索，就像一條循環帶。在繩上裝上14只空的方箱，方箱的每邊長1米。方箱是用鐵皮制成的，水不能夠透進去。圖198和圖199畫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。從圖上可以看出，水里經常會有6只鐵箱，這就是說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，那條按照上面說的方式轉動的繩索，經常在塔的里面維持著58800牛頓向上的牽引力。顯然，這個力會迫使繩索不停地在滑輪上滑動，這時它們每轉一周所做的功是58800×20＝1176000焦耳。

　　如果全國布滿了這樣的塔，我們就可以從它們那里得到無窮的功，這足夠供給我們全國使用。這樣的塔會轉動發電機，使我們得到無窮盡的電能。

　　可是，我們如果仔細研究一下這個設計，就很容易看出，繩索完全沒有動的可能。

　　為了使這根循環的繩索轉動，必須讓這些鐵箱能夠從下面進人水塔，從上面離開水塔。可是我們知道，鐵箱在進入水塔的時候，必須克服20米高的水柱的壓力！這個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，要用它來把鐵箱拉到水塔里去，顯然是不夠的。

　　在那些不會成功的發明家們所設計的無數種水力“永動機”當中，也可以找到一些最簡單而且最巧妙的設計。

　　請看圖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，那鼓形輪就會不停止地轉下去……

　　可是，且別忙著制造這樣的“永動機”！你一定會失敗的，鼓形輪不會轉動的。為什么呢？我們的推理錯在哪兒呢？原來我們忽略了作用力的方向了。這里的作用力永遠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。

　　可是經驗告訴我們，順著輪子的半徑施力，輪子決不會轉。要它轉就得順著輪周的切線方向來施力。這樣一說，就不難明白為什么這樣的“永恒”運動也沒有實現的可能了。

　　阿基米德的定律給了想發明“永動機”的人一種富于誘惑力的精神食糧，曾經鼓勵他們千方百計去把看去像是失去的重力用來做機械能的永恒源泉。但是他們的嘗試，沒有一個是成功的，也永遠不可能得到成功。

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