人类的机器劳力

时间:2023-11-17 22:49:01

我们的生活中拥有很多机械发动机,但是,很多时候,我们并没有对这些“机器劳力”的威力有很好的了解。相对于“活的发动机”来说,机械发动机有着很多优势,比如,它可以在很小的体积中积蓄很大的功率。古时候,人们所知道的威力最大的“机器”就是大象和马。那时,如果人们想要提高功率,就只能增加它们的数量。一部发动机到底相当于多少匹马的工作能力,是现代所要解决的技术问题。

在100多年以前,人们制造出来的最强大的机器是蒸汽机,它的功率是20马力,质量是2吨。相当于,每100千克质量的机器可以产生1马力的功率。马的平均质量是500千克,也就是说,每500千克质量产生的功率是1马力。为方便计算,我们把1匹马产生的功率视为1马力。而蒸汽机却可以做到每100千克质量产生1马力的功率,就相当于把5匹马的功率合到了1匹马身上。

现在,我们已经可以制造出拥有2000马力的机车,它的质量是100吨。通过简单计算可以得出,它产生1马力的质量更小。而电气机车可以达到4500马力的功率,它的质量是120吨,相当于产生1马力的质量为27千克。

在这个方面,航空发动机可能是最有效率的。一般来说,航空发动机的质量只有500千克,但是它却可以产生550马力的功率,相当于,产生1马力的质量不到1千克。图非常形象地展示了这几种机械发动机的差别。图中马头上涂黑的部分表示各种机械发动机产生1马力功率对应的马的质量。

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图 马头涂黑的部分是各种机械发动机产生1马力功率对应的质量。

图表现得更加清楚。在图中,两匹马的体积相差非常大,小马表示钢铁制成的航空发动机的质量。可见,在功率相等的情况下,它比1匹马的质量要小得多。图中小马和大马对比还向我们展现了在与“活的发动机”的对比中,“钢铁肌肉”的质量是多么微不足道。

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图 1部航空发动机和1匹马产生1马力功率的质量对比。

图表示的是1部小型航空发动机与1匹马产生1马力功率的质量对比。这部发动机的汽缸容量只有2升,但却产生了162马力的功率。

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图 汽缸容量为2升的航空发动机产生了162马力的功率。

可以说,这场竞赛是没有止境的。运用现代技术,我们会制造出拥有更大马力的机器。对于燃料里所蕴含的能量,我们还可以挖掘得更多。下面,我们来看一下,1卡热量蕴含着多少能量。通常来说,1卡相当于让1升水的温度升高1℃所需要的热量。如果把1卡热量全部 转 化 成 机 械 能 ,它可以提供4186焦耳的功。换句话说,1卡热量转化的功率可以把重为427千克的物体提升到1米的高度(如图所示)。但是,现在常见的热力发动机的转化率只有1 0 %~ 3 0 % 。也就是说,1卡的热量能产生的功只有大约1000焦耳,并不是刚才提到的4186焦耳。

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图 如果把1卡热量转化成机械功,能够把427千克的重物提升1米。

人类发明的所有可以产生机械能的能源中,哪一种能源的功率最大?答案是火器!

一般来说,步枪的质量大概是4千克,而它实际起作用的部分只有2千克左右。当步枪发射子弹的时候,它产生的功是4000焦耳。表面看来,这个功并不是很大,但是我们知道,子弹只在枪膛中非常短的时间里受到火药气体的作用,这段时间只有人类的机器劳力

秒。我们知道,发动机的功率是指在1秒的时间里所做的功。如果我们把步枪所做的功换算成以1秒的时间单位的功率,可得:

4000×800=3200000(焦耳/秒)

也就是4300马力。如果我们把这个数值再换算一下,除以步枪起作用的质量,也就是2千克,那么产生1马力功率的质量还不到0.5克。如果将功率与质量建立的对应关系进行比较,它的大小可能只有一只甲虫那么大。

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图 炮弹所做的功足以把75吨的重物升高到金字塔的顶端。

前面我们一直在讨论的是功率跟质量的对应关系。如果以绝对功率来看,火器的功率还不是最大的,最大的应该是大炮。一枚质量为900千克的大炮,在发射的时候,它的瞬时速度可以达到500米/秒。也就是说,在0.01秒的时间里,大炮产生的功大约是1亿1千万焦耳。图形象地展示了这个功的大小:它相当于把重为75吨的物体提升到 奇阿普斯金字塔 的顶端(差不多是150米)所做的功。而且,这个功是在0.01秒的时间里瞬间产生的,所以它所产生的功率约为110亿瓦特,也就是1500万马力。

图展示了1门巨型海军炮所产生的能量。可以看出,它的功率也非常大。

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图 1枚巨型海军炮所产生的热量可以把36吨冰块融化。