神奇的浮力－物理天地

由阿基米德的浮力原理可知道,物体的飘浮性决定于客观存在的平均密度,而不是它的重量．如果物体的平均密度比液体的密度大,那么它就下沉；密度相同时,物体就可悬浮在液体中．深处的水由于受到上面水的重压,密度会增加,海水越深,密度越大,那末到了相当的深处,海水的密度一定就可以达到与船的平均密度相等．假使船沉到此处,就不会再沉下去,因为再沉去就会碰到密度更大的海水,而被推上来了．因此,沉船会悬浮在相当深的海水里,而不一定沉到海底。

好象结论很正确,因为海洋深处的压强是非常巨大．在海洋中深度每增加10 米,每平方厘米就增加10.094 牛顿的压力,这相当于1 标准大气压．在许多地方,海洋的深度有好几千米,那里的大气压强是非常巨大的．有的海员常和没有经验的旅客开玩笑,用很长的绳子把一塞紧瓶塞的空瓶子系上重物沉入很深的海里．当把瓶子提上来时,里面竟装满了海水1 旅客很惊讶,因为瓶塞仍在上面紧紧地塞着．其实,这是海水的压强在作怪．当瓶子下沉时,深水中的高压把瓶塞压入瓶中,使瓶子装满水；瓶子提上来时,由于压力减小水膨胀而把瓶塞推回原处。

现在我们再回到原来的沉船问题上．虽然海洋深处有着巨大的压强,但是水象所有液体一样,几乎不能被压缩．也就是说,无论多大的压强,总不能把水压得比它原来体积小很多．1 大气压只能使水的体积缩小1/22000．就是在最深的海洋下,水的密度也增加不到5％,不可能增加到与船的密度一样大,所以船在一般海里沉没时,毫无疑问地都会沉到海底。

但对一些内陆的特殊海来讲,则是另外一种情况．例如死海,它的海水密度很高,平常的海水约含盐2％或3％,而死海里水的含盐量高达27％以上．就是说有1/4 的重量是盐,所以那里的海水的浮力很大,人和船都不会沉没于水中．如果人在死海中游泳,绝对淹不死．你可以仰躺在水面上；甚至,完全可以抬起头来,让身体在水面上浮着,只有脚跟浸入水中．因此与其说是在水里游泳,还不如说是在水面上＂游泳＂。

我们如果仔细观察船舷,会发现它们上面都画了若干条横线——吃水线．它表示船在各种密度的水里,满载时的最大吃水深度,超过此线,船就可能下沉．在不同的海洋中,水的密度不同．吃水线在咸水里比较低,在淡水里比较高．这些吃水线的位置实际上也与浮力有关,因为船浸入水的深度决定于液体的密度．即当船上装着同样的货物,在海水里行驶,船就浮得高些,而行驶到大河等有淡水的地方,就会浮得低点．实际上每一条船都能够用来测量海洋中水的密度。

液体的密度能不能用简单的办法来测量呢? 回答是肯定的,可以使用密度计．它是一种测量液体密度的仪器,像船上的吃水线一样,密度计上不同的刻度值表示了不同液体的密度值．在使用密度计时,只要把它插入液体,它就会竖直地浮在液体中,液面所对应的刻度值就是该液体的密度值。

密度计实际上是根据沉浮原理制造的．如果物体平均密度大于液体的密度,那么物体就要浮起来．待测量的液体密度越大,被密度计排开的液体就越少,密度计浸在液体里的深度也就越浅些,即液体密度越大,密度计浮起的越高。

最后我们再看一个有趣的问题,它的答案是许多人意想不到的．经常有人开玩笑问: 一吨铁重还是一吨木头重? 有些人会想也不想地说一吨铁重,结果引起周围人的哈哈大笑,他忘记了都是一吨重。

但是要是有人回答一吨木头重的话,那么周围的人一定会笑得更厉害,认为这个人比第一个人更笨．可是这个看似荒谬的回答,实际上非常正确．这是什么原因呢? 原来阿基米德原理不但对液体适用,对气体也同样适用．因此一个物体的真正重量,应该是它在真空中称出的重量．可是我们平常所说的重量,都是在空气里称出来的．既然是在空气里称出的,就要受到空气浮力的作用．如果F 表示空气浮力,P 表示物体的重力,所以在空气中物体称出的重量是T=P-F,方向向下．因而要求出物体的真正重量P,就应该把空气的浮力也加上去．在这个问题里,木头的真正重量,应等于在空气中一吨木头的重量再加上木头所排开的空气的重量；而铁的真正重量则是在空气中一吨铁的重量再加上铁所排开的空气的重量。

但是,一吨木头所占的体积大约是一吨铁的16 倍,一吨木头的体积约占 2 立方米,而一吨铁约占 1/8 立方米．我们知道空气的重量是每立方米1.29 公斤,所以木头和铁所排开的空气重量分别为2.58 公斤和0.16 公斤,两者相差约2.42 公斤! 也就是一吨木头比一吨铁重2.42 公斤．确切地说,在空气里重一吨的木头的真正重量,比在空气里重一吨的铁的真正重量重。

因此对于这个问题,正确的答案应是: 如果是在空气中称它们,然后在真空中比较的话,一吨木头重．可见弄清在什么条件下称重量,以及在什么条件下进行比较,对于得出正确的答案来说是相当重要的。

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