46 了解空气知识 何为空气?何为空气,问题 用肉眼可以看得到空气。 何谓空气,问题空气也有重量,有时变轻,有时变重。 何谓空气问题空气是一种可压缩气体。 何谓空气问题用肉眼可以看得到空气 对于空气人们常说,空气是无色、无味、透明的。在我们生活的地球上确实看不到空气,所以正确答案应该是,但有时也能看得到空气。 有很多人知道海棉和干毛巾里有空气,就是把它放进水里一拧,水里面就出现很多水泡, 这就是空气。在水中就可以看得到空气,所以上面的答案应该是。 不要说“哦!原来是这样”,我们自己也想想有什么别的方法可以看见空气。 水中的水泡里有空气,水中就可以看得到,也闪闪发亮,大气中怎么就看不见呢?不觉 得有点奇怪吗? 了解空气性质 何谓空气问题空气也有自身重量,有时变轻,有时变重。 如果空气有重量的话,深呼吸后称体重时,体重应该会增加。新相扑选手的 选拔检查中,有人为增加自己的体重而喝很多水,但没有人会深吸气后屏住呼吸 去称体重,很显然这是没用的。所以也可以说空气是没有重量的。 举一个有意思的例子,若用透视机和体重一体机做如下试验会怎么样呢? 以前很多人研究过空气有没有重量的问题,但最后还是没有人能证明。现在科学很发达, 实验器具和方法上也取得了很大的进步。我们就用如下的简单方法来证明空气是有重量的。 下面有两个同样大的试验瓶,左瓶是有空气,右瓶是真空的,结果有空气的瓶比真空瓶重。 可以用更简单的方法来证明,在同样重的气球上吹气。大气球(里面有很多空气)和小气球挂在天 平杆时,大气球的一边下沉。这是因为大气球比小 气球重。何谓空气问题中也可以回答空气是有重 那么空气是不是真得有时变重,有时变轻呢?现在有冬暖夏凉的空调。夏天经常在冷气室里办公的女职员有时用毛 巾盖住膝盖做事,有的人还穿着毛裤办公,这种现像叫做冷房病。 了解空气性质 冬天在有暖气的屋子里,从高处的书架里拿书的时候有没感觉到“很暖和呀”。很多人说地板和天花板的温差有5~10左右。 一般暖气流就向上流动,冷气流就向下流动。那为什么空气因温差有时变轻,有时变重 呢?空气被加热时会变轻,有代表性的是热气球。 进一步说明的话,就是空气的体积增大时会轻。空气的特点是一加热就会膨胀(体积变 大)。体积变大时它本身的重量是没变,但同一个体积的暖气就比冷气轻。热气球就是利用 空气的这种物性。所以何谓空气问题的正确答案是。 何谓空气问题空气是可压缩的。 给自行车轮胎(内胎)打气时,压打气筒的手柄时空气就会流到轮胎里。刚开始打气时很轻,但越打越重。当轮胎满气时,很难压气筒。气筒的活塞 上有后发力。所以自然复位。很多人都有经历过这种经验。 使用注射器也会出现相同的现象。 把注射器的前孔堵住后,推注射器的活塞杆时可以推一段行程,这说明空气是可以压缩的。放开活塞杆时它就自动复位。如果把注射器里的空气换成水的话会怎么样呢?注射器的 活塞杆很难推进(活塞杆不移动)。由此可以证明空气是可压缩的。所以何谓空气问题的 正确答案是。 水和空气的最大区别在于空气是可以压缩的,但水是不可压缩的。(若详细说明的话, 水也可以压缩,但变化很小,这里可以无视它的变化) 用空气时 用水时 了解压力 10 何为压力? 力和面积的关系。 通过何谓空气问题,我们大致了解了空气的特征。那么什么叫空气压、大气压、 水压。这里的压所指的是压力。那什么叫压力呢? 简单的说,压力就是压物体时产生的力量。一个物体上放了有重量的物体,上面物体依 自身重量压下面物体时产生的力量叫压力。 使用自动铅笔时,按笔芯按钮,笔芯就会出来。相反,如果按笔芯部分就会觉得痛。所 以一般推回笔芯时,把笔芯对着书或书桌上推。这是理所当然的,因为很多人都不喜欢疼痛。 这种疼痛程度取决于所接触面积的大小。哪怕是使用同样的力量,但所承受压力的面积 很小时疼痛程度就会加大,承受压力面积大时疼痛程度相对较小。 就是说压力指的是每单位面积上所承受的力量。 了解压力 11 让我们一起算算压力 现在我们知道了压力是每单位所承受的力。 那么,我们一起算算看。 这里有2()(3 )5()大的巧克力,如果讨厌甜食的人就把它当成盐块或 者别的什么东西都可以。巧克力的重量有30(gf)。出现的结果完全不同,也可用数字来计 蛋糕承受的力,巧克力重量/与蛋糕的接触面积,可以算出。 每单位承受的压力结果如下: (A)的场合 (B)的场合 压力=30(35)=2 压力=30(32)=5 加单位 (A)的场合 (B)的场合 30(gf)15( 从上述试验可以得出,同一个重量的物体所压的接触面积大时,每一个单位的承受压力就小,相反接触面积小时,每一个单位的承受压力就大。 了解压力 12 看看大气层的结构 我们生活的地球表面被空气(大气)层层包围着,也就是说大气层保护着我们。若没有 大气层保护,太阳光线直射到地球表面时,赤道位的白天温度将达到 80,晚上温度将达 到零下140,在这种环境下生物无法生存。 还有氟利昂气体一旦被破坏,臭氧层就不复存在。到那时地球上的所有生物因有害紫外 线的直射慢慢枯萎最终面临死亡。 被空气层层包围着的意思就是说地球上的空气是重叠状态层层叠放着的。 通过问题我们了解了空气是有重量的,因空气的重量而产生的压力叫做大气压或气 压。地球上1 地上就重叠着1.003kgf。请参考按大气层的高度、气压、温度分析的大气层图(下页)。 了解压力 13 大气层结构概略图 了解压力 14 何为气压? 对大气压力大家也有所了解了,气压是每一个单位所承受的空气压力,我们 身体表面面积约有40000 ,那么我们所承受的空气压力就是40000kgf。为什么我们一点都感觉不到呢?因为我们身体内也用同样的力量来反压。 气压的变化可引起气候变化外还会引起很多不可思议的事。 东京就有一个利用气压差建造的圆型气球屋顶的剧场。场馆内的屋顶是用玻璃纤维制造 的薄膜,往室内灌输很多空气,所以室内的气压比外面高,从而使薄膜可长期保持膨胀状态。 其实屋顶里没有1 根柱子,相反从外面包住了28 根绳子,以防薄膜脱落。 了解压力 15 了解压力 16 何为气压? 我们又重新回到了空气压的话题,不要把它想得太复杂,只要掌握空气的特征,就容易 理解气动原理及气动元件。胶皮球中空气有多少呢?不管胶皮球也好,皮制或合成塑胶制也 好,把球中的空气换装到塑料袋里后它的体积会增大好几倍,自行车轮胎里的空气也是一样。 以上都利用了空气的可压缩性。 吹大气球后,把握紧的口部放掉,气球会飞走,飞走的方向是不规则的,有时转圈,有 时乱飞。为让气球只向一个方向飞行,气球上面贴一个能串细绳的管子,然后用线串管子后 固定线。这时放开气球口部时它就直线飞行。这也是利用了气压原理的试验。 在说明空气特征时,举过给自行车打气的例子。 打气时气筒里产生了压缩空气,压缩空气因有反发力,所以打气时很吃力。这时我们利 用了叫做空气压缩机的机械设备。(后章节会有详细说明) 注射器的实验也能证明空气可压缩的事实。如右图往注射器的口部输气时活塞会往后移 动,这与气缸空气压机器原理是一样的,对气缸另外再详细说明。用输气和排气来作动活塞 的就是利用空气压原理制作的气缸。对这个事实详细说明的学者就是法国科学家帕斯卡。 了解压力 17 了解压力 18 什么叫帕斯卡原理? 帕斯卡是通过读一本书知道了(水容器底部的承受压力与水量和容器的形状无关,而 是与高度有直接关系)的道理。帕斯卡联想到如果把两个直径不同的试验管连在一起后里面 用活塞密封。再按两个试验管口径面积比例放物体时两个活塞的位置就会平衡。 注射器也是一样,不管里面是液体还是空气,往往射口输气时,注射器内各个部位所 承受的压力是一样的,也就是说:活塞承受力=空气压活塞面积。吹气球时也一样,气球 内各部所承受的压力是一样的,这就是帕斯卡原理。帕斯卡于1653 年对《物体平衡》发表 的论文。 了解压力 19 更详细地说: 有一个串通的试验管(如下图),为方便计算小活塞面积假设为1cm ,大活塞面积假设为10cm ,在小活塞上放1kgf 重的物体后大活塞就上升。为平衡 个活塞位,应该在大活塞里放多重的物体呢?很多人可能误解为 1kgf,但实际上放 10kgf 重的物体时才与小活塞位平 小活塞传动力/小活塞面积=大活塞传动力/大活塞面积=密封空气的压力利用这个道理可用微力产生出巨大的力量。 了解压力 20 其它要掌握的术语 推力(出力) 通常压力是指容器和输送管所传输的力,受到此压力后被推出去的力叫推力或叫出力。 重力 牛顿(注)曾研究过所有物体落地时,一定会承受到某种神奇的力量(引力)。因为这种 地球的引力叫重力。 坐游乐园的过山车可以体验身体的失重。过山车从高处滑坡时身体的重力比平常高2 多。所以整个身体感觉很沉重,皮肤绷紧,脸也被拉伸。人类的身体不能承受长时间的失重,所以过山车的下坡时间一般只有几秒钟。 若要抬或移动物体时需要物体本身重力以上的力量。 绝对压力、大气压、表压力 在说明(空气特征)时已提过关于大 气压的话题。我们的身体每时每刻在承受 着40 顿左右的大气压。在真空状态下的 大气压是0,把完全真空状态0 为基准的 压力叫绝对压力。 用压力表测量出的空气压(大气 压为0)的压力叫表压力。 真空 空气量比大气压状态少的状态叫真空。吸 尘器吸灰尘的功能也是利用了真空原理。完全 没有空气的状态叫完全真空。 吸尘器也可以说是一种真空发生装置的一种,一般是用真空泵和喷吸装置做真空状态。 真空原理现已利用到很多领域,如食品行业的真空包装、利用真空吸盘的搬运等。 空气压缩机里产生的压缩空气叫正压,真空泵里产生的真空压叫负压。这里的负压也是 空气压利用原理的一种。 牛顿:(Newton) 1643-1724 英国的物理学者,数学者,天文学者 了解压力 21 了解空气压的利用 22 空气的利用和气动的利用 让我们看看空气的利用例子 通过空气的特征、压力、帕斯卡原理的说明,对空气和气动大家大致有所了解。那么空 气和气动在什么领域被广泛利用呢。利用空气的例子之一就是人类的呼吸和火的燃烧。利用 的就是空气中的氧气。 那空气中有哪几种成份呢? 我们经常使用空气,但没叫空气的元素。空气中有氮,氧气等10 几种元素。空气是由 氮气和氧气大约依4:1 的比例混合的混合体。 氮气 氧气 氩、二氧化碳,氖、 有1%了解空气压的利用 23 利用空气特征的领域 加热变轻原理…………………热气球 可压缩特征……………………轮胎、球 利用大气的相对现象…………飞机的浮力、降落伞 利用大气流动性………………