加油枪中的物理学

撰文/ 郭亮（中国科学院力学研究所）

加油枪为什么和加油站的工作人员如此默契？当油箱加满时，伴随“咔哒”一声，加油枪会自动跳枪（自动关闭），燃料油完全不会溢出来。你可能觉得，这是使用了某种电子传感器，但实际上，它依靠的是文丘里效应和独特的内部机械结构。

越“快”越“小”

——何为文丘里效应

文丘里效应是由意大利物理学家文丘里发现的，它表现在受限流动（如水管内流动的水）通过缩小的过流断面（流体通道的截面积）时，流体出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比，即断面面积越小流速越大。而根据伯努利定律，流速的增大伴随流体压力的降低，即常见的文丘里现象。

文丘里效应在我们的生活中随处可见：用手堵住正在出水的水龙头，从缝隙中流出来的水速度会突然增大；刮风时，两栋高大建筑物之间的风，风速会明显变大。

加油枪也是运用了文丘里效应。如图所示，加油枪的进气嘴连接了一条细长的导管，导管直通加油枪的自封机构上方。加油枪启动时，燃料油流经副阀（缩小的过流断面，即图中的2处），流速增大，压力减小，导管内（图中的3处）的空气在压力差的作用下不断地被“吸”入燃料油里。

油箱未满时，进气口与外界大气相连通，空气能够得到源源不断地补充，自封机构上方空间（图中的1处）内的压强不会产生明显变化。但当燃料油被加满时，进气嘴与外界的连通被切断，空气不断地流失，导致导管和与其相连的自封机构上方空间的压强不断降低，当压强降低到一定程度时，自封装置就会启动。

杠杆原理与压强的配合

那么，自封装置是如何被启动的呢？这就与加油枪内部的机械结构密切相关了。

为了更加清晰地展示机械结构部分的作用过程，我们单独将它拆解出来，用简化图来表示，大体结构如图1所示。自封机构、开关把和主阀三者构成了以A为支点，主阀为阻力的杠杆1；以B为支点，自封机构为阻力的杠杆2。

在加油枪启动时，自封机构如图1所示，滚珠被块状物阻隔在自封杆的外缘，刚好将自封杆卡住，阻止它继续向下移动，因此A点是固定的。以A为支点，撬动主阀（阻力臂）向上移动，燃料油的通路就被打通了（如图2所示）。

自封机构上方空间与自封机构之间以一张自控膜分割开来，自控膜下方连接有一根长锥型的块状物体。如前文所述，当油箱加满时，自控膜上方的压强不断降低，在压差的作用下自控膜带动块状物向上移动，原本在被卡两边的滚珠掉落到凹槽中间。失去了滚珠的支撑，中间的滑块就降落下来。这时，A点不再固定，开关把和主阀向下移动，实现了油路切断（如图3所示）。

将加油枪从油箱中取出后，把开关把向下压动，此时B点是固定的，成为杠杆2的支点，A点在支撑力的作用下向上移动。而且自控膜上方的空气再次与外界空气相连通，压差消失，自控膜带动块状物向下移动，以此实现加油枪复位。

小小加油枪里蕴藏了这么丰富的物理学知识，只要你有一双善于发现的眼睛，这样的例子在我们的生活中比比皆是。