水壓機(jī)的發(fā)明歷程:在帕斯卡之前就有人研討過液體靜力學(xué),而且不很明確地得到了帕斯卡定律。例如荷蘭人斯蒂文就曾用試驗(yàn)演示過液體中的壓強(qiáng),他得出定論:液體對盛放液體的容器之底部所施的力只取決于接受壓力的面積和它上面液柱的高度,而與容器的形狀無關(guān)。
斯蒂文的試驗(yàn)設(shè)備中,容器ABCD注滿了水,容器底部有一圓形開口EF,蓋著一個(gè)木制的底蓋GH。還有一個(gè)容器IRL與ABCD相同高,也注滿水,底部也有同樣巨細(xì)的開口和底蓋。他用杠桿拉住底蓋,杠桿的另一端加重物T與S,底蓋分別被重物T與S提起,而T與S彼此持平。這就證明了,盡管這兩個(gè)容器的水重不相同,但底蓋接受的壓力都相同。
接著,斯蒂文在這個(gè)基礎(chǔ)上,證明了液體中各個(gè)方向的壓強(qiáng)只決定于所在的高度。
帕斯卡更深化地研討了液體的靜壓力。他明確地表述了液體中任何點(diǎn)上各個(gè)方向的壓強(qiáng)持平的原理。他的成功主要是把大氣壓的成因用于解說液體中的壓強(qiáng),找到了兩者的共性,而且奇妙地把試驗(yàn)和推理結(jié)合起來。他在身后二年出版的著作《論液體的平衡及空氣分量》(1663年)中論說了液體的平衡和浸在液體中的物體所受的壓力,接著依據(jù)這些結(jié)果解說了曾經(jīng)歸結(jié)為自然界厭惡真空的種種現(xiàn)象。在這本書中,帕斯卡首要介紹一系列試驗(yàn)結(jié)果,然后依據(jù)這些試驗(yàn)結(jié)果展開了嚴(yán)密的推理。
他在論說液體中壓強(qiáng)的傳遞時(shí),以水壓機(jī)模型為例進(jìn)行推理,寫道:“如有一充水容器,除兩出口外,其他完全封閉。一個(gè)出口比另一出口大100倍。設(shè)在每一出口中放入一個(gè)巨細(xì)剛好合適的活塞。一個(gè)人推小活塞的推力等于100個(gè)人對大活塞施加的推力,所以一個(gè)人的力能夠勝過99個(gè)人的力?!?/span>
為什么小力能戰(zhàn)勝大力呢?帕斯卡以為這和杠桿原理有類似之處。他依照杠桿原理的推理來證明上述定論:“由于容器內(nèi)水的連續(xù)性和流動(dòng)性,壓強(qiáng)應(yīng)遍及容器內(nèi)各個(gè)部分,小活塞把水推動(dòng)1英寸,水就使大活塞推動(dòng)1%英寸。100磅水移動(dòng)一英寸與1磅水移動(dòng)100英寸,顯然是同樣一回事?!?/span>
也就是說:小力盡管只要大力的1%,但其作用間隔卻是大力的100倍,所以作用是持平的。
接著帕斯卡進(jìn)一步推理:大活塞的力盡管比小活塞的力大100倍,但它與水接觸的面積也大100倍,所以每部分水的壓強(qiáng)即單位面積所受的力和小活塞仍然持平。而大活塞所在的位置是任意的,所以這一關(guān)系與大活塞所在的位置無關(guān),與其遠(yuǎn)近和方向也無關(guān)。
所以,帕斯卡就得出了后來表述為帕斯卡定律的明確定論:“在密閉容器里液體中任何地方施加壓力,其壓強(qiáng)將毫無損失地經(jīng)液體傳遞到各個(gè)部分并垂直于液體的所有外表?!?/span>