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当前位置:第一节 浮力
作者：未知来源：中央电教馆时间：2006/4/5 10:02:59阅读：nyq
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浮力的实质
关于浮力，几乎每本书上都写到，浮力是由于流体对物体向上和向下的压力差而产生的．如果再问一下，该“压力差”是怎样产生的？自然要涉及到流体内部的压力、特别是压强问题．
我们先来考虑一只悬浮在大气中某一位置的气球所受的浮力．
为了说理方便，把气球做成“正方体”形状，建立坐标系，放置在大气之中．它的六个表面都受到大气分子撞击，从而受到压强，乘以面积便是压力．可知，前、后，左、右两对表面所受压力（分别沿x，y轴）相等．在竖直方向（z轴）则是浮力与气球重力平衡，其
由分子物理学中的“气压公式”得出：
式中p0为地面附近(z=0)的大气压强，μ为一个气体分子的质量，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度（位置z1、z2温度相同)．
则 
我们再来计算一下被“气球”排开的大气的重力是多少？
n为高度z处单位体积内大气分子的个数，n0为地面附近单位体积内大气分子的个数．则“正方体”大气的重力为
式中p0=n0kT，是地面附近的大气压强．
比较(1)、(2)两式，便知：
F浮与G是大小相等、方向相反的一对力，即平衡力．这正是“阿基米德原理”的结果．
通过上述讨论，我们能够获得如下认识：
第一，对于气体中的物体来说，浮力是大量无规则运动的气体分子对物体全部表面（该表面可以呈任意形状）撞击力（统计平均值）的合力，该“合力”是竖直向上的．
第二，浮力并非重力，但它的存在离不开重力（没有重力，也就不会出现浮力）．
这里需要进一步阐明浮力与重力的区别和联系．
浮力是“分子力”的表现；重力是万有引力的表现．由于分子运动是无规则的，所以气体中某一点的压强与方向无关，这使浮力具有向上的方向；重力的方向总是竖直向下的．
浮力是“上、下”表面的压力差，该“差”是由于下表面处分子密度大于表面处分子密度引起的，而这种“上疏、下密”的分布状态
另一方面受到重力作用，双重因素的必然结果．倘若无重力场存在，分子只做无规则运动，密度处处相同，对浸在其中的物体各个表面的作用“机会均等”，不会出现压强差，也就没有浮力；倘若分子只受重力，而不做热运动，则会在重力作用下沉积在地球表面并达到一定厚度，“浸在其中的物体”犹如埋入沙堆的石块，受到的力不能认为是浮力．
从能量观点来看，气体内部压强的存在是此处分子动能的表现，而“压强差”（与之相关的浮力）则是分子无规则运动的动能和分子在重力场中的势能两个方面的体现．
下面再研究一下液体中的浮力．液体和气体在许多方面的行为和性质是相同的，譬如都具有流动性，所以二者统称为流体．在液体中，分子的排列比在气体中紧密得多，在某种程度内可以把液体看作是“浓的气体”（比气体“浓”几千倍以上），分子间表现出很大的相互作用力，液体分子热运动的平均动能不足以克服分子间的相互吸引力，因此液体分子彼此相距很近，每一分子都被其他分子包围着．
同样可以认为浸在液体中的物体所受的浮力是液体分子对物体全部表面作用力的合力，该“合力”的方向竖直向上．
值得强调的是，液体分子对物体表面的作用力并非以“碰撞”方式，而是以“挤压”来描述更为确切的方式．处在重力场中的液体，其内部存在着压强，通常被称之谓“由于液体重力产生的压强”．我们知道，在重力场中，液体静止时，自由面总是平坦的（不计器壁影响），自由面层的液体分子在重力和下层液体分子（每“层”均由大量分子构成）“支持力”的作用下，……依次类推，这就使得下层液体的压强总大于上层液体的压强．而且由于液体分子之间是“紧挨着”的，即密度是“均匀的”，所以液体内部压强与深度成正比．液体内部某一点的压强与方向无关，这可以用液体分子“无规则流动”予以解释：来自某一方向（譬如沿重力方向）的“挤压”，使被压分子向远离方向流动或具有流动趋势，该分子又“挤压”周围分子，被挤压到的分子数目是大量的，它们相互“挤压”自然是无规则的，各个方向“机会均等”．上述“挤压”传至器壁，最终在器壁约束下，液体达到稳定状态——静止在容器之中．
我们能够想到，产生于液体之中的浮力同样是“分子力”的表现．由于上层液体分子的重力，把下层液体分子压的更“实”，即分子之间的距离较上层有所减小．在无重力场存在的空间，液体可借助分子之间的作用力维持一定的体积，这时分子之间的吸引力和排斥力平衡，分子维系在一定的距离上，通常把这两个分子中心之间的距离叫做分子的“有效直径，用d0表示．有重力场存在的情况下，容器中的液体，从自由面往下，分子之间的距离均稍小于d0，而且越往下，就越小些．分子之间的作用力一般用图2表示，当分子之间的距离从d0开始减小时(d0约为10-10米），分子之间表现为斥力；而且距离越小，斥力越甚．对于全部浸入液体中的物体将从“四面八方”受到由此而产生的分子斥力（实际上是这样的：物体表面首先附着有液体分子，这些液体分子又受到周围液体分子的推斥力），这些分子斥力的“合力”，便是作用在物体上的浮力．由于下表面处“斥力”大于上表面处的“斥力”（左、右，前、后受力平衡），所以浮力的方向是竖直向上的．
上述讨论，使我们认识到，液体中的浮力与气体中的浮力具有共同的“分子力”的性质，它们都是分子现象和重力场存在的表现．如果要从能量观点把二者区别一下，则气体中的浮力是气体分子具有动能和重力势能的体现；液体中的浮力是液体分子具有“弹性势能”（让我们沿用力学中的说法！）和重力势能的体现．而分子之间的相互作用，归根结底是它们之间的带正电的原子核和带负电的电子之间的相互作用（万有引力甚小），所以做为以“分子力的合力”表现出来的浮力，其实质是电磁力．
浮力消失了吗？
1874年8月的一天，在大西洋亚速尔群岛的西南方，有一艘深海考察潜艇，为研究海底矿产资源的分布，正在向深处下潜。舱内的考察人员被海底迷人的景色陶醉了，致使下潜速度过大，船体猛然撞到海底，陷入海底的沉积物中了。船员把潜艇水舱中的水全部排出，企图上浮。奇怪的是，潜艇丝毫不动，像被海底“吸”住一样。这是为什么？难道浮力真的消失了吗？怎么办？你能替他们想出摆脱困境的办法吗？
为了回答这个问题，动手做下面的小试验，你会从中得到启发。
如图所示，找一个底面很平的容器，让一个蜡烛头紧贴在容器底部，再往容器里倒水，蜡烛头并不会浮起来；轻轻地把蜡烛头拨倒，它立刻就会浮起来。
可见，当物体与容器底部紧密接触时，两个接触面间就没有液体渗入，物体的下表面不再受液体对它向上的压强，液体对它就失去了向上托的力，浮力当然随之消失了。
现在，你能提出为潜艇摆脱困境的措施了吗？
小制作：孔明灯
（１）用薄纸剪成如图所示规格的纸片．将第一张纸片的一边与第二张的一边粘在一起,再将第三张,第四张．．．．．．依次同样粘上去,直到拼成一个两端漏空,直径约60厘米的球状物．再剪一张圆形薄纸片,把上面圆空口糊住．待干后,把气球吹胀,找一条薄而窄的竹条,弯成与下面洞口一样大小的竹圈,在竹圈内交叉两根互相垂直的细铁丝,并系牢在在竹圈上,再把竹圈粘牢在下面洞的纸边上,糊成的气球不能漏气．
（２）把酒精棉球点燃扎在铁丝中心,等气球内部的空气烧热后,气球就会由平地直升天空．如图所示．
（３）这是由于气球内部空气受热膨胀，向外跑了一部分，使气球受到空气的浮力大于气球（包括气球内部热空气）的重量，这样气球就会上升．
我国古代对浮力的应用
早在殷商之前，我国古代人民对浮力就有深入的观察，并从中受到启发，学会在生产和生活中应用浮力，他们由漂在水上的树叶、木头想到可以做船在水上航行，到殷商时已由制独木船发展到用木板组成大的船体，这是我国最早的木船．
周朝以后浮力得到进一步应用，不仅木船已普遍使用，还学会了将很多船连在一起，上铺木板架成浮桥．周朝以后各个朝代都修过不少浮桥，不仅在小河上能架设浮桥，在黄河、长江这样的大河流上也多次架设过浮桥．据记载，蒙古与南宋作战时仅在马湖、清江一带就“立浮桥廾余所”，可见浮桥在那时使用已很普遍了．
我国汉代曾发明过一种做军事信号用的灯笼，它用很轻的竹篾扎成框架，用纸糊严，只在下面留口，在灯笼的下面放一个小碟，盛上松脂．点燃松脂时，灯笼扎就能腾空而起，飞向天空．
三国时期有个早卒的神童叫曹冲（196—208年），他是曹操的儿子．他曾经提出“以舟称象”．没有现代的衡器而要称量几吨重的大象是令人为难的，曹冲说：把大象赶到船上，记下船在河中下沉的位置；然后，将大象拉上岸，把石头陆续装入船中，直到装载石头的船下沉到刚才那个记号为止，再分别称出船中石头的重量，石头的总重就是大象的重．
曹冲称象的方法，正是浮力原理具体运用．在中国历史上，据记载，有比曹冲更早的类似故事．东周燕照王（公元前311—前279年在位）有一大猪，他命司衡官以杆秤衡之．结果，折断十把杆秤，猪的重量还没有秤出来．他又命水官以浮舟量之，方知猪的重量．
除了以舟称物之外，以舟起重也是中国人的发明．据史籍记载，蒲津大桥是一座浮桥．它以舟为桥墩，舟与舟之间架板为桥．唐开元十二年（724年）在修理该桥时，为加固舟墩，在两岸维系巨缆，特增设铁牛八只作为岸上缆柱．每头铁牛重数万斤．
三百余年后，即宋庆历年间（1041—1048年），因河水暴涨，桥被毁坏，数万斤的铁牛也被冲入河中．该桥毁后二十余年，真定县僧人怀丙提出打捞铁牛、重修蒲津桥的主张．
怀丙是中世纪伟大的工程力学家．他创造的浮力起重法，曾在十六世纪由意大利数学家卡丹（1501—1576年）用于打捞沉船．
铁牛是怎样从河底捞上来的
公元1066年，山西永济县的黄河段发大水把河边拴浮桥的八只镇水神牛冲走了，官府张榜招贤，请能把铁牛从河底捞起来的贤人．和尚怀丙揭榜．他派水性好的人潜到水底，摸清铁牛沉在了什么地方．又叫人把两艘大木船并排挂在一起，船上装满泥沙．两木船之间还用结实的木料搭了个架子．怀丙亲自带人把两艘装满泥沙的木船划到铁牛沉没的地方．又请熟悉水情的人带着绳索潜到水底，用绳索把铁牛绑牢．将绳索拉紧，把绳索的另一端捆在两船之间的架子上．
准备工作做好之后，怀丙命人把船上的泥沙扔到河里去，泥沙被一铲一铲地扔河里，大船慢慢地上升，终于把铁牛从淤泥里拔了出来．怀丙又叫人把船划到造浮桥的地方，两艘大船拖着没在水里的铁牛，回到了它们原来的位置．
每只铁牛重达上万斤，怀丙为什么能把铁牛从河底的淤泥中拔出来呢？
两只木船原来装满了泥沙．泥沙很重，木船吃水很深，也就说，木部排开的水很多，受到的浮力很大．根据物体的浮沉条件，此时木船受到的浮力，等于船身的自重加上泥沙的重力．当把泥沙扔到河里，船上的泥沙减少，两木船受到的浮力超过了船身的自重加上余下的泥沙的重力．最初，船不上浮，因为它被绑在绳索下的铁牛拖住，随着泥沙的不断抛出木船，绳索对铁牛的位力越来越大，直到多余的浮力超过了铁牛在水里的重力和淤泥、河水对铁牛的作用，铁牛就逐渐从淤泥中拔出来．是水的浮力把铁牛从水底捞上来．