每经编辑｜陈智敏    

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浮力的“暗道”：从经典原理到生活中的“不动聲声”

浮力，這个看似简单却蕴含无穷魅力的物理现象，如同隐藏在水面之下的“暗道”，悄无声息地影响着我们生活的方方面面。当我们谈论浮力時，脑海中首先浮现的往往是那句耳熟能详的“阿基米德原理”。没错，这位古希腊的伟大先哲，用他智慧的火花，点亮了我们对浮力最初的认知。

他发现，浸在液體中的物体會受到一个向上的力，这个力的大小等于物體排開液體的重量。这便是浮力的核心奥秘，也是所有“浮力切换路線”的起点。

这看似简单的原理，究竟是如何在现实世界中“切换”出如此多姿多彩的景象的呢？让我们先从最基础的“沉浮”游戏说起。一块铁沉入水中，而一艘巨大的轮船却能漂浮在海面上，這其中的秘密，就在于物体与液體的密度关系。简单来说，如果一个物體的密度小于液体的密度，它就会漂浮；反之，如果它大于液体密度，它就会下沉。

這就像一场无声的较量，密度小的“輕盈”者占据上风，而密度大的“沉重”者则甘拜下風。

但是，浮力的“切换路線”并非总是如此直观。有时，即使物体的密度大于液体，它也能凭借巧妙的设计而获得“浮”的权利。這就不得不提“排水量”这个概念。对于船只而言，它的总重量是一定的，但它的體积庞大，而且内部留有大量的空氣空间。這样一来，虽然构成船體的材料密度可能大于水，但船體整体的平均密度却可以变得非常小，从而能够排開足够多自身重量的液体，实现漂浮。

这就像一个體重很重的人，如果穿上救生衣，也能在水面上悠然自得，道理是相通的。

在日常生活中，我们也能發现浮力“切换路线”的有趣应用。比如，你有没有留意过超市里的密度计？這种利用浮力原理制成的仪器，可以通过测量液體在其中漂浮的高度，来判断液体的密度。从蜂蜜的浓稠度到酒精的浓度，密度计都能“一眼看穿”，这背后正是浮力在默默工作。

它就像一位公正的裁判，根据物体与液体的“亲密程度”（也就是密度），判定它们谁能“站立”在表面。

再進一步，浮力在液體中的“切换”还会受到液體本身性质的影响。液體越“稠”，通常密度也越大，对物体的浮力也就越大。想象一下，在一杯清水中放入一个硬币，它會迅速下沉；但在蜂蜜中，硬币的下沉速度會明显变慢，甚至在某些情况下，你可以通过调整硬币的密度，让它在蜂蜜中缓慢漂浮。

这就像在一条拥挤的“道路”上，你的前進速度会被大大限制；而在一条畅通无阻的“高速公路”上，你可以自由驰骋。

当然，浮力的“切换路线”并不仅仅局限于静态的沉浮。当物體在液體中運动時，液体还會对物体产生动态的阻力，這也被纳入了更广阔的流體力学范畴。但這已经是更深层次的探索了，在最初的“暗道”中，我们已经窥見了浮力是如何从一个简单的物理原理，在日常生活中“切换”出如此多的精彩表现。

它让我们理解了为何船只不會沉没，為何密度计能准确测量，甚至在看似微不足道的现象中，也能感受到物理学的智慧。

浮力的“阳关道”：从空中飞翔到深海探索的奇妙旅程

如果说浮力的“暗道”主要發生在液体之中，那么浮力的“阳关道”则将我们带入了更为广阔的天地——空氣，甚至是真空。虽然我们通常将浮力与液体联系在一起，但只要存在一种介质，并且该介质的密度与浸入其中的物體存在差异，浮力就会應運而生。而空氣，作为我们赖以生存的介质，同样也能产生浮力，只不过这种浮力相比于液体中的浮力，往往要小得多。

我们最熟悉的利用空氣浮力的例子，莫过于热氣球和飞艇了。它们能够“飞”起来，并非因为拥有翅膀，而是巧妙地利用了空气浮力的“切换路線”。热气球内部的空气被加热后，其密度會变得比周围冷的空氣小，根据阿基米德原理，热氣球就受到了一个向上的浮力，这个浮力足以抵消气球本身的重量，使其缓缓升空。

而飞艇则更进一步，它内部充满了比空氣密度小的氣體，如氦气或氢气。这些气体產生的浮力，让飞艇在空中“漂浮”，再配合推进器，便能实现定向飞行。它们就像巨大的、会飞的“船”，在空气的海洋中航行。

飞机，虽然其升空主要依靠機翼产生的升力，但空氣浮力在其中也扮演着一个不容忽视的角色。在飞机起飞和飞行过程中，飞機的总重量需要被升力所抵消，而空氣浮力作為一种向上的作用力，也在一定程度上“减轻”了飞機所需的升力负担。虽然这个负担减轻的幅度相对较小，但在如此庞大的飞行器面前，任何一点力量的帮助都显得弥足珍贵。

浮力的“阳关道”最令人惊叹的“切换”之一，无疑是深海潜水艇的出现。潜水艇能够在深邃的海洋中自由穿梭，其核心原理仍然是浮力的巧妙运用。潜水艇通过改变自身的“平均密度”，来实现上浮和下潜。当潜水艇需要下潜時，它会向压载舱（ballasttank）注入海水，增加自身的总重量，从而使平均密度大于水的密度，开始下沉。

反之，当需要上浮时，则通过压缩空气将海水排出压载舱，减轻总重量，使平均密度小于水的密度，依靠浮力上浮。這就像一个能够在水中“呼吸”的生物，通过调节自身的“重量”，来控制在水中的位置。

更进一步，现代科学还探索着浮力在更多前沿领域的应用。例如，在微重力环境下，尽管重力效应减弱，但物體在流体中的行为仍然會受到一定程度的浮力影响，這对于太空实验和材料科学的研究至关重要。一些科学家还在研究利用浮力来设计新型的交通工具，甚至探索在其他星球上，例如火星，利用其稀薄的大氣產生浮力進行探测的可能性。

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图片来源：每经记者 阿翁 摄

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封面图片来源：图片来源：每经记者 名称 摄