每经编辑｜陈邦利    

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浮力的(de)“暗(an)道”：从(cong)经典(dian)原理(li)到(dao)生(sheng)活中的(de)“不动声声”

浮(fu)力(li)，这个看(kan)似(shi)简单却(que)蕴(yun)含(han)无穷(qiong)魅力的物(wu)理现(xian)象(xiang)，如(ru)同(tong)隐(yin)藏在(zai)水面之(zhi)下(xia)的“暗(an)道(dao)”，悄(qiao)无(wu)声(sheng)息(xi)地影响(xiang)着我(wo)们生活的方方(fang)面面。当(dang)我(wo)们谈(tan)论浮力(li)时，脑海(hai)中(zhong)首(shou)先浮(fu)现的往(wang)往是那句耳熟能(neng)详的“阿(a)基(ji)米德原理”。没错(cuo)，这位古(gu)希(xi)腊的(de)伟大(da)先(xian)哲，用他(ta)智(zhi)慧(hui)的火花(hua)，点(dian)亮(liang)了我们对(dui)浮力最(zui)初的(de)认(ren)知(zhi)。

他(ta)发(fa)现，浸(jin)在液(ye)体中(zhong)的(de)物体会(hui)受到一(yi)个向(xiang)上(shang)的力，这(zhe)个力的大小等于(yu)物体(ti)排开液体的重(zhong)量。这(zhe)便是浮力(li)的核(he)心(xin)奥秘，也(ye)是(shi)所有“浮力切换路(lu)线”的起点(dian)。

这看似(shi)简(jian)单的原(yuan)理，究竟是如(ru)何在现实世界(jie)中“切换”出如此多姿多彩(cai)的景象的呢？让(rang)我们(men)先从(cong)最(zui)基础的“沉浮(fu)”游戏(xi)说起(qi)。一块铁(tie)沉(chen)入(ru)水(shui)中，而一艘巨大(da)的轮船(chuan)却能漂浮在(zai)海面上(shang)，这(zhe)其中(zhong)的秘密，就(jiu)在(zai)于(yu)物(wu)体与液体的密(mi)度关系。简单(dan)来(lai)说，如(ru)果(guo)一个(ge)物体(ti)的密(mi)度小于液体(ti)的(de)密度，它就(jiu)会漂(piao)浮；反(fan)之，如(ru)果它(ta)大于液(ye)体密度(du)，它就(jiu)会下沉。

这(zhe)就像一场无声(sheng)的(de)较(jiao)量(liang)，密(mi)度(du)小的“轻盈”者(zhe)占(zhan)据(ju)上风，而(er)密度大的“沉重”者(zhe)则甘(gan)拜下(xia)风(feng)。

但是，浮(fu)力的(de)“切换路(lu)线”并非(fei)总是(shi)如此(ci)直观(guan)。有时，即使(shi)物体的(de)密度大(da)于(yu)液体，它也能(neng)凭借巧妙的设(she)计(ji)而(er)获得“浮”的权利。这(zhe)就不得不提“排水量”这(zhe)个概(gai)念。对于船(chuan)只而言(yan)，它的(de)总(zong)重量是一(yi)定(ding)的(de)，但它的体积庞(pang)大，而(er)且内部留(liu)有(you)大量的空(kong)气(qi)空(kong)间。这样一来，虽然构成船体的材(cai)料密(mi)度(du)可(ke)能大(da)于水(shui)，但船(chuan)体整(zheng)体的平均(jun)密度(du)却(que)可以变得非常小(xiao)，从而能够排开足够(gou)多自身重量的(de)液体，实(shi)现(xian)漂浮(fu)。

这就像一个体(ti)重很重的(de)人，如(ru)果穿上救生衣(yi)，也(ye)能在(zai)水面(mian)上(shang)悠然自得，道理(li)是相通(tong)的(de)。

在日(ri)常生(sheng)活中(zhong)，我(wo)们(men)也能发现(xian)浮力(li)“切换(huan)路线”的有(you)趣应用。比如(ru)，你有没有留意过(guo)超市里的密度(du)计？这种利(li)用(yong)浮(fu)力原理(li)制(zhi)成的(de)仪器，可以通过(guo)测量液体(ti)在其中漂(piao)浮(fu)的(de)高度(du)，来判(pan)断(duan)液(ye)体的(de)密度(du)。从蜂蜜的(de)浓稠度到酒精(jing)的浓(nong)度(du)，密度(du)计(ji)都能“一(yi)眼看穿”，这背后(hou)正是浮(fu)力在默默工(gong)作。

它就(jiu)像一位公(gong)正的裁(cai)判，根据物(wu)体与液(ye)体的(de)“亲密(mi)程度”（也(ye)就(jiu)是密(mi)度(du)），判(pan)定(ding)它(ta)们谁(shui)能“站立”在(zai)表面。

再(zai)进一步，浮力在(zai)液(ye)体中的(de)“切换(huan)”还(hai)会受(shou)到液体本身性(xing)质的影响。液体(ti)越“稠”，通(tong)常(chang)密度也越大，对物(wu)体的浮(fu)力也(ye)就越(yue)大。想(xiang)象一下，在(zai)一杯(bei)清(qing)水中(zhong)放(fang)入(ru)一(yi)个硬(ying)币，它(ta)会迅速下(xia)沉；但(dan)在蜂(feng)蜜(mi)中，硬(ying)币(bi)的下(xia)沉(chen)速度会(hui)明显变慢，甚(shen)至(zhi)在某(mou)些(xie)情(qing)况下(xia)，你可(ke)以通(tong)过调整硬(ying)币(bi)的(de)密度，让它在蜂(feng)蜜中(zhong)缓慢漂浮(fu)。

这(zhe)就(jiu)像在(zai)一条(tiao)拥挤(ji)的(de)“道(dao)路(lu)”上(shang)，你的(de)前(qian)进速度会(hui)被大大(da)限制(zhi)；而(er)在(zai)一条(tiao)畅通(tong)无阻(zu)的“高速公路(lu)”上(shang)，你可以自(zi)由(you)驰(chi)骋。

当然(ran)，浮(fu)力(li)的(de)“切换(huan)路(lu)线”并不(bu)仅仅局限于静(jing)态(tai)的(de)沉浮。当(dang)物(wu)体(ti)在液体(ti)中运(yun)动时，液(ye)体还(hai)会(hui)对物(wu)体产(chan)生(sheng)动(dong)态的阻力，这也(ye)被(bei)纳(na)入了更广(guang)阔的流体力学(xue)范畴。但这已经(jing)是更(geng)深层(ceng)次的(de)探索(suo)了，在最初的“暗道”中(zhong)，我(wo)们(men)已经窥见了浮力是(shi)如(ru)何从(cong)一(yi)个简(jian)单的物理原理，在日常生(sheng)活中“切(qie)换(huan)”出如此多(duo)的精彩表(biao)现。

它让(rang)我们(men)理解了为(wei)何船只(zhi)不(bu)会沉(chen)没，为何(he)密度计(ji)能(neng)准确(que)测量，甚至(zhi)在看似微不足(zu)道(dao)的(de)现(xian)象(xiang)中，也能感(gan)受到(dao)物(wu)理学(xue)的(de)智慧(hui)。

浮(fu)力(li)的“阳(yang)关道”：从空中飞翔到(dao)深(shen)海探索(suo)的奇(qi)妙旅(lv)程

如果(guo)说浮力(li)的“暗(an)道(dao)”主(zhu)要(yao)发生(sheng)在(zai)液体之(zhi)中(zhong)，那么浮力的(de)“阳(yang)关(guan)道”则将(jiang)我们(men)带入(ru)了更为(wei)广阔的(de)天地——空气，甚(shen)至是(shi)真空。虽(sui)然我(wo)们通常(chang)将(jiang)浮力(li)与液(ye)体联系在(zai)一起(qi)，但(dan)只(zhi)要存(cun)在(zai)一种介质(zhi)，并(bing)且该介质(zhi)的密(mi)度与浸入其中(zhong)的物(wu)体存在差(cha)异，浮力(li)就会应(ying)运而(er)生(sheng)。而(er)空(kong)气(qi)，作为(wei)我们赖以生(sheng)存的(de)介质，同(tong)样(yang)也能产生浮(fu)力(li)，只不过(guo)这(zhe)种浮力相(xiang)比于液(ye)体中的(de)浮力，往往要小得多。

我(wo)们最(zui)熟悉的利(li)用(yong)空气浮力的(de)例子，莫过于(yu)热(re)气球和飞艇了(le)。它们能够(gou)“飞”起(qi)来，并非因(yin)为(wei)拥(yong)有翅膀，而(er)是巧妙(miao)地(di)利用了空(kong)气浮力的“切换(huan)路线”。热气球内(nei)部的空(kong)气被加热后(hou)，其密度(du)会(hui)变得比周围冷(leng)的空气(qi)小(xiao)，根据(ju)阿(a)基米(mi)德原理(li)，热气球(qiu)就(jiu)受到(dao)了一(yi)个(ge)向上的浮力，这个浮力(li)足以抵(di)消气球(qiu)本身(shen)的重量，使(shi)其缓缓升(sheng)空。

而(er)飞艇(ting)则(ze)更进一(yi)步，它内部充满(man)了比(bi)空(kong)气密度小的气体，如氦气或氢(qing)气。这(zhe)些(xie)气体产生的浮(fu)力，让(rang)飞艇(ting)在空中“漂(piao)浮”，再(zai)配合推进器，便能实(shi)现定向(xiang)飞(fei)行。它(ta)们就(jiu)像巨(ju)大的(de)、会(hui)飞的“船(chuan)”，在(zai)空(kong)气(qi)的海(hai)洋(yang)中航(hang)行。

飞(fei)机，虽然(ran)其升(sheng)空主(zhu)要(yao)依靠(kao)机翼产(chan)生(sheng)的升力，但(dan)空气浮(fu)力在其中也(ye)扮演(yan)着一(yi)个不(bu)容忽(hu)视(shi)的角(jiao)色(se)。在飞机起(qi)飞和飞(fei)行(xing)过(guo)程中，飞(fei)机的(de)总重量(liang)需(xu)要被(bei)升力所抵(di)消，而(er)空(kong)气浮(fu)力(li)作为(wei)一种向上(shang)的作(zuo)用(yong)力，也在一定(ding)程度(du)上(shang)“减(jian)轻”了飞机所(suo)需(xu)的升力负(fu)担(dan)。虽(sui)然这(zhe)个负(fu)担减(jian)轻的(de)幅(fu)度相对较(jiao)小(xiao)，但在(zai)如此庞大(da)的飞(fei)行(xing)器面前(qian)，任何一点力(li)量(liang)的帮助都显得(de)弥足珍贵。

浮(fu)力(li)的(de)“阳关(guan)道(dao)”最(zui)令人惊叹的“切(qie)换(huan)”之(zhi)一(yi)，无疑是深(shen)海潜(qian)水(shui)艇的(de)出(chu)现(xian)。潜水艇(ting)能够(gou)在深邃的海洋(yang)中自由穿梭，其(qi)核心(xin)原理仍然(ran)是浮力(li)的巧妙(miao)运(yun)用(yong)。潜水艇通(tong)过改变(bian)自身的(de)“平均密(mi)度”，来实(shi)现上浮和(he)下潜(qian)。当潜水艇需要(yao)下潜时，它会(hui)向压载舱（ballasttank）注入海(hai)水，增加自身的(de)总(zong)重(zhong)量(liang)，从而使(shi)平均密度大于(yu)水(shui)的密(mi)度，开始(shi)下沉。

反之，当需要上(shang)浮(fu)时，则通(tong)过压(ya)缩空(kong)气将海水(shui)排出(chu)压载(zai)舱，减(jian)轻总重(zhong)量(liang)，使平(ping)均密度小(xiao)于(yu)水的密度，依(yi)靠浮(fu)力上(shang)浮。这(zhe)就(jiu)像一个能(neng)够(gou)在(zai)水中(zhong)“呼吸”的(de)生物，通(tong)过(guo)调节自身的“重(zhong)量”，来控制(zhi)在水(shui)中的(de)位置。

更进一步(bu)，现代(dai)科学还(hai)探索着浮(fu)力在(zai)更多前沿领(ling)域的(de)应用(yong)。例(li)如(ru)，在微(wei)重力(li)环境(jing)下(xia)，尽管(guan)重(zhong)力效(xiao)应减(jian)弱(ruo)，但物体在流(liu)体中的(de)行为(wei)仍(reng)然会(hui)受(shou)到(dao)一定(ding)程度的(de)浮力影(ying)响，这对于太空(kong)实验和材(cai)料科(ke)学的(de)研(yan)究至关重要(yao)。一些(xie)科学(xue)家还(hai)在研(yan)究利(li)用浮力来(lai)设计新型(xing)的(de)交(jiao)通工(gong)具，甚(shen)至探索在其他星球上，例如(ru)火星，利用(yong)其(qi)稀(xi)薄的大(da)气产(chan)生浮(fu)力(li)进行探(tan)测的可(ke)能(neng)性。

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图片来源：每经记者 钱莹 摄

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