只要啟動汽車的引擎,泵就開始運動,將汽油傳送至汽化器中,使水在冷卻系統中循環,并輸送機油來潤滑引擎.現代的汽車也利用風箱來吹送冷、暖氣.泵的種類有很多,例如家庭用的真空吸塵器內就有吸氣裝置.在現代化家庭里,中央暖氣系統中的水是靠泵來輸送的,冷卻系統中冷卻液的循環也是由泵來完成的;洗衣機也依靠旋轉式泵(rotary pump)來工作,但是你可能從未思考過其中的奧秘吧!
用旋轉式葉片泵(vane pump)最容易說明泵的工作原理,其橫切面如圖1所示.當轉子(rotor)依一固定軸轉動時,它在進氣口、排氣口之間會與泵的外殼緊密地接觸.轉子上裝有兩個葉片,兩葉片間的彈簧可使轉子與外殼保持緊密接觸.
當轉子在如圖所示的位置時,空氣經由1號通道進入A室.B室的空氣因葉片與外殼密接而跟外界隔絕.但隨著轉子的轉動,葉片會通過2號通道,使得B室與2號通道相連;轉子繼續轉動,B室變小,而包含在里面的空氣會經過2號通道被推出去.當上面的葉片通過1號通道后,A室就會變成新的B室,這樣的循環會反復地進行.
這類泵的效率非常高,被用來抽除真空管中的空氣,例如抽出熱水瓶壁與電燈泡中的空氣等.
齒輪泵(gear pump)的構造如圖2所示,它應用在機械裝置的液壓缸中,泵送高壓的液壓油,例如在牽引機和挖土機上均會用到.當兩個齒輪嚙合轉動時,會將齒輪的齒隙與外殼之間的油從A傳送到B,因而使A中的壓力降低,B中的壓力增加.
如果將A與B連接至含有一個活塞的液壓缸(圓形筒)的兩端,則其作用時會推動活動塞沿著圓筒運動(圖3).若將齒輪逆轉,則液壓油將從B輸送到A,并使活塞作反向運動.
旋轉式鼓風機(air blower)對于需要泵送大量空氣的問題是一項非常高明的設計.兩種旋轉式鼓風機如圖4所示,它們都有兩個轉子,運作時兩個轉子同步反向轉動,并保持密接.看到上述數種不同形式卻具有相同性質的泵,你是不是覺得它們非常吸引人呢?如圖示,空氣從P吸入后,經Q氣密地運送至R排出.
雖然旋轉式鼓風機和葉形輪油泵(lobe type oilpump)設計上有些不同,但在轉子的運作概念上卻是一樣的.在油泵一邊通過改變體積形成更大的空間以吸入機油,在油泵另一邊則以相反的動作排出機油,這就是葉形輪油泵的運作過程.葉形輪油泵如圖5所示,它由一個四葉的內轉子帶動一個五葉的外轉子轉動.轉動時內外轉子是互相嚙合的,但因其葉片數不同,所以旋轉時它們分別依不同的軸旋轉(由圖可看出內轉子的中心在外轉子中心的下方).內、外轉子在轉動時會改變相對位置,但其間的體積仍保持為常數.兩個轉子間的空間在吸、排通道時會開放,其在吸氣口時空間增大,而在排氣口時空間減小.
上述這些泵的設計都是動力學上的絕佳范例,而探討物體運動中的幾何變化情況也算是數學的一個分支.要成為一個好的工程師,這方面的思考能力是不可缺少的.機械裝置的研究與動力學是密切相關的,在教運動幾何學時,以此為范例特別有意義.