被忽略的重要物理现象

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 背景

水平放置的柱塞式液压缸工作时柱塞会产生浮力，依据柱塞缸工作原理和能量守恒关系，浮力的大小与液体输入的能量无关，浮力逐渐减少转换为相应的机构摩擦损失，可见浮力是被输入的能量，符合热力学第一定律∆U=Q-W+Z，因此，柱塞缸比活塞缸多输入了一个外部能量Z即浮力，也就是说，柱塞缸工作时伴生着一个自然能传递现象。这种不需要人为提供能量就能获得浮力的现象，解决了浮力做功需要液体提供（转换）能量的技术问题，为实现浮力做功转换为机械能提供了条件。

技术构思

依据热力学第一定律柱塞缸存在两个能量传递过程，一是外力能量传递过程即∆U=Q-W，二是自然力（浮力）能量传递过程即∆U'=Q'-W'。由于获得浮力需要的能量Q'是伴生的，不需要人为提供能量，所以只需要把浮力转换为摩擦力的形式，变为浮力转换为机械能的形式，就能获得Q'输出的能量。由于柱塞缸只有在排空液体时能量才是守恒的，所以每次工作都会伴生一个能量Q'，因此可以间歇性获得自然能量（自然力）输出的机械能。要重复获得能量输出，系统设计时还要满足所有能量实现闭环的要求，也就是，所有能量传递完毕后，系统应处于初始状态。

技术方案

为满足技术构思的需要及目的，把柱塞缸的柱塞设计为可以旋转的形式，就能使浮力转换为轴扭矩输出，其技术特征和方案如附图所示。图由左侧的活塞缸和右侧的旋转柱塞缸组成，两个液压缸由管道和阀门联通。活塞缸由活塞（1）、缸体（2）及密封机构组成；旋转柱塞缸由壳体（3）、旋转柱塞（4）、轴（7）、密封条（6）组成，壳体（3）顶端有排气阀（5）底部有进出液口，其中旋转柱塞（4）与轴（7）连接为一体，密封条（6）固定在壳体（3）上与旋转柱塞（4）和轴（7）密封，并将壳体（3）等分为有旋转柱塞的液体密封室和无旋转柱塞的空气密封室。

工作原理

由系统左侧的活塞缸提供能量驱动液体进入液体密封室，使旋转柱塞产生水平推力（Fx）和浮力（Fy），将自然力即浮力输入液体中。旋转柱塞在外力和浮力的共同作用下，从液体密封室向空气密封室旋转并经轴输出扭矩，过程中外力和自然力同时传递。活塞缸驱动液体将旋转柱塞完全转入空气密封室时，提升活塞排空液体密封室内的残余液体，这时的外力能量守恒、自然力能量守恒，活塞和旋转柱塞回到初始位置势能不变，系统所有能量实现闭环，继而重复实现能量转换。

系统工作步骤

为了描述方便，我们把旋转柱塞（4）的密度设定为水的密度，系统中的液体为水，定常状态下：

步骤一：关闭阀门（8）打开阀门（9），驱动活塞（1）下行将水压入左侧的有旋转柱塞的液体密封室，由排气阀（5）排气并阻止水溢出，满水后，旋转柱塞（4）解锁，在压强产生的水平推力作用下，旋转柱塞（4）向右侧的无旋转柱塞的空气密封室旋转。本步骤将旋转柱塞（4）的重力转换到水中产生浮力，注入的水称为浸没水外力提供的能量为W1。

步骤二：旋转柱塞（4）转出液体密封室时，液体密封室的水位会因填补旋转柱塞（4）转出的体积而下降，应及时驱动活塞（1）注入相应体积的水保持水位，直至旋转柱塞（4）旋转90°完全进入右侧的空气密封室，这时的液体密封室被水充满，该过程注入的水称为压强水，外力输入的能量为Wp。旋转柱塞（4）重心在左侧的液体密封室内上升，浮力做正功与重力做负功抵消，旋转柱塞（4）重心在右侧的空气密封室返回时重心下降，重力做正功产生机械能。旋转柱塞（4）回到初始位置势能没有变化，本步骤完成了自然能传递及守恒。

步骤三：液体密封室内的水称为残余水，能量包括W1和Wp的残余能量W2。提升活塞（1）至初始位置，残余水也回流到初始位置，由于外力输入的W1没有能量损失被完全回收，根据液压缸能量守恒关系，外力经活塞（1）输入的能量W=Wp-W2全部转换为轴扭矩输出，完成了机械能传递及守恒。这时系统总势能回到初始位置，所有能量实现了闭环，完成了机械能和自然能同时传递和转换。

步骤四：由于系统回到了初始状态，关闭阀门（9）开启阀门（8），重复上述步骤可以重复获得浮力做功产生的机械能。

结论

机械能转换的目的是为了获得相应的能量形式，自然能转换的目的是为了获得能源。在一个独立系统内伴生自然能转换的现象，为人类从利用物质能源向利用能量能源的跨越提供了条件，对人类的文明进步和发展具有历史性意义。