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浮力杂谈 精选

已有 5267 次阅读 2017-12-28 11:37 |个人分类:力学科普|系统分类:科普集锦|关键词:浮力,游泳,纸团| 浮力, 游泳, 纸团

静止流体的内力垂直于作用面,单位面积的内力称为压强或压力,其数值与方向无关;由竖直柱体的力平衡可知,两点压强差就是高度差与流体重度的乘积,等价于单位体积流体的重力势能与压强之和处处相等。这就是帕斯卡(Pascal1623-1662)定律,据此积分流体作用于固体表面压强得到“物体在液体中所受浮力等于其排开液体的重量”,即浮力定律或阿基米德Archimedes, 287 BC -212 BC)定律[1]。与流体压强相比,浮力与生活有着更密切的关系,因而更早得到注意。

1   金冠澡盆的故事

许多科普读物都基于金冠澡盆的故事介绍浮力定律;不过,一些叙述似不够准确,如:

有一天他从澡盆里跳出来,跑到大街上大喊:“我找到了!”因为他坐进澡盆时,看见了水从盆缘溢流出来,于是想出了计算制作国王皇冠用了多少黄金的方法——把皇冠放入注满水的容器中,溢出水的体积相当于皇冠的体积。这就是人尽皆知浮力定律[2]

金冠的故事出现于公元前1世纪罗马建筑师维特鲁乌斯Marcus Vitruvius Pollio的著作[34],但未见于阿基米德的著作。称,叙拉古Syracuse国王耶罗二世Hiero II作了一个花环状金冠  Golden   Wreath   or   Golden   Crown,准备奉献给神祗,因担心金匠以银换金,请阿基米德检测;后者依据澡盆中体验,测量金冠以及等重纯金和纯银置入盆桶中溢出水量而得到体积,判断金冠掺银。文献[5]述及金匠被杀、其母以空心金球证明阿基米德的判断有误,竟这是科学史上一个有趣的故事,其真实性很难证明,也无须证明,真伪不辨也实在令人叹息。阿基米德在75岁时喊出“请不要动我的图”后为入侵的罗马士兵误杀,但得到礼葬。 


众多科普书籍、文章均称,基于排水试验阿基米德总结出浮力定律[6~8],但未说明如何总结;文献[9]引述溢出法后,又称“他分别称出浸在水中金块、银块和王冠的重量,由此测定了它们在水中减少的重量。或许他同时使用了这两种方法”。现在互联网提供了众多文献[4],如1586GalileiGalileo的文章The Little Balance 1589Giambattista della Porta 的著作 Natural Magic 片断,均置疑维氏所叙。

金、银的比重是19.310.5。已出土的桂冠最重714 g,但可能有少量叶片脱落[4]。设桂冠重1000 g,若为纯金则体积51.8 cm^3;若含有30%的银,则体积64.8 cm^3,增大13 cm^3。容纳金冠的水盆其直径为20 cm,面积为314 cm^2,则浸入金块或金冠引起的水面高度变化分别是0.165 cm0.206 cm,相差仅0.041 cm,难以测量或觉察;而以溢出法直接测量体积,因水表面张力所引起的液面凸起在20°C时可达到0.385 cm同样难以确定金冠与纯金的体积差异。更为重要的是,上述测量方法没有固体受力的素,似乎不能引伸出浮力定律。

杠杆平衡对重量具有较高的分辨能力[10],因而以杆秤直接称量金冠和等重纯金在水中的重量,即可确定体积是否存在差异。此外,若两物体在空气和水中都能使相同力臂的杠杆保持平衡,则比重相同;因而确定桂冠是否被掺杂只要有纯金样本作为比对即可,而不必要求两者等重。

万有引力定律或许与牛顿被苹果所砸相关,但其真正建立则是“基于Kepler 三定律和牛顿第二定律的数学推演”;与此类似,浮力定律的建立可能与阿基米德在浴盆中感受到浮力相关,但其真正确立则是“基于实际称量后的逻辑分析”[1]。相关论述可简化为物体在液体中受力与其外表面材料无关,而置换为该液体时应处于平衡状态,因而受力就是相应液体重量,且通过其形心即浮心当然,应用浮力定律时要求物体在液面以下的全部表面都与液体接触。

400年后的“曹冲称象”即以舟称物,利用了船体吃水深度与承载对应、等量置换、化整为零等概念,与船排开水的重量即浮力定律似无直接关联,不宜过度解读而失却科学精神。

2   浮力现象的若干事例

现在标准衡器是台秤而非杆秤,因而浮力测量也略有不同。如不考虑盛水容器重量即“去皮”并折算重0.2 g 系线影响后,一个新鲜鸡蛋放在容器底部时重56.9 g;而悬在水中时台秤读数为53.3 g,该值就是鸡蛋对水的作用力浮力的反作用力。依据浮力定律可知,其体积为53.3 cm^3、比重为1.07

冰密度随结构而略有变化,纯净冰块的密度约920 kg/m^3, 海水的密度约1025 kg/m^3 ( Wikipedia),冰山出露部分约占总体积的1/9,所谓冰山一角。依据浮力定律,冰的重量等于其排开水的重量,因而融化之后正好充填其水下部分体积,并不会引起水面的上升。不过,南极冰架压在陆地上,断裂后将在水中浮起而引起海面上升,并不要等到冰块融化。

干燥纸张可以浮在水面之上,吸水之后小纸片会沉到水底,除非纸中孔隙被手指油腻封闭。不过,纸团吸水之后逐步展开,通常总会隔离少许空气,能够长时间浮在水面上方(打印纸或报纸6小时以上);若被刺破透气,则缓慢沉降。此外,纸团沉降必然引起水体流动,也就受到水体的阻碍,加之茶杯内壁的吸附作用,似乎不易沉降到杯底。此事与一段文学公案有关,且试验容易,可结果却因人而异呢。当然,这就引起种种争执——都是有图有真相啊

倒扣的酒杯、茶杯也能浮在水面。杯中空气受压,压力增高,对内壁产生支承力,同时使杯中水面低于杯外(下图可见),即空气也能产生排水作用。这仍可以浮力定律说明:杯和空气与两者所排开水的重量相等。需要注意的是,若倒扣时杯中空气较多,则杯体重心较高,可能失稳倾倒而沉入水底。过犹不及呢。


3   落水跳水而不溺水

游泳已成为体育比赛项目,室内泳池也在城市大量建设。不过,2011年中秋节曾在电视中看到湖南邵阳渡船沉没、中学生大量溺亡的场景,大学生落水而亡也时有耳闻。想来父母入城、河流污染等诸多原因,乡村孩童已不能在河中自由戏水。或许中小学的自然或物理课程应该介绍相关知识以应对突发险情。

倘若突然落水而完全不会游泳,应仰头而稍稍露出水面,肢体本能地扰动;千万不要费力挣扎使头乃至脖子露出水面而减少浮力;身体在水中稳定才能张口呼叫而不呛水。人体密度与水相当,肢体对水略作扰动就能浮在水面,对此充满信心是获救的根本保证。笔者幼时生吞小虾后被推入河沟,在众人“会水了”的叫声中游到对岸:没有恐惧、没有惊慌,只有本能的反应。

人在水中走动时因浮力很容易双脚悬空而类似于跑;又因浮力作用点在人体重心下方而使人趋于倾斜—水深过胸就会漾起来,若不会游泳且又应对不当则会呛水出险。相关事件媒体时有报道,如身高1.66米女大学生在1.2米深泳池溺水[12]这只是一个力学问题,不必从溺水者身体是否有患寻求解释。

此外,淹死的都是会水的”,说的大约是跳水。大学毕业生在西湖、高中毕业生在某校人工湖跳水拍照,旁观者求救不及而亡;笔者祖父也曾亲见同村青年从渡船跳水而亡。以头下脚上的方式进入水中,深度可达到 5 m,肺胃等器官所含气体受压而体积减小,损失浮力;若肌肉因深部低温刺激而痉挛,肢体不能扰动水体就会吞水而永沉。至于跳入池塘而陷于淤泥、跳入水库而撞上岩石,则更是危险啊。毫无疑问,只有身体适应水温之后且环境熟悉方能跳水。不过,尽管有大量溺水事故缘于跳水,但跳水真是难得引起事故:著名的海因里希Heinrich, 1886-1962法则称一起严重事故背后可能有29次轻微事故和300起未遂先兆呢。这也是安全教育难以得到广泛响应的原因之一。

4   结 语

科普读物以金冠澡盆的故事介绍浮力定律稍欠准确;而金冠含金量的确定需应用浮力定律、杠杆原理等,且牵涉到表面张力以及测试方法的可靠性、分辨率等概念,值得仔细讨论。此外,中学物理和流体力学都讲授浮力定律,教师可依据同学接受能力及课时情况适当介绍相关背景知识和应用事例。 

1  希思T L阿基米德全集朱恩宽,李文铭等译西安:陕西科学技术出版社,1998. 255-263.

2  欧几里得几何原本燕晓东译北京:人民日报出版社,2005. 82

3  武际可力学史上海:上海辞书出版社,2010. 108-109.

4  www.cs.drexel.edu/~crorres/Archimedes/contents.html

5  董寅生欧几里得?阿基米德!. 咬文嚼字,2015(6): 47-49

6  张瑶,傅在琦从浮力定律看近代中国科技落后的原因昭通师范高等专科学校学报, 2008, 30(5): 37-39

7  王渝生.“尤里卡!”——浮力定律的发现科技导报, 2008, 26(2): 34

8  王洪鹏从经验上升为理论——由曹冲和阿基米德谈起科技导报, 2010, 28(5): 45

9  卡约里物理学史戴念祖译南宁:广西师范大学出版社,2002. 4-5

10  刘延柱天平、杆秤和天平动.力学与实践,201133 (5): 88-90

11  刘大为刘可晶对“人链”的力学分析力学与实践, 2016, 38(4): 469-471.

12   www.morningpost.com.cn/2015/0522/645539.shtml

尤明庆.  浮力杂谈. 力学与实践, 2017, 39(6): 632-634.

http://lxsj.cstam.org.cn/CN/article/downloadArticleFile.do?attachType=PDF&id=146759



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