每经编辑｜陆列嘉    

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浮力的“暗(an)道(dao)”：从经典原理到生(sheng)活中(zhong)的(de)“不(bu)动(dong)声声”

浮(fu)力，这个(ge)看似(shi)简(jian)单却(que)蕴含(han)无穷魅力(li)的物(wu)理(li)现象，如(ru)同隐藏在水(shui)面之(zhi)下(xia)的“暗(an)道”，悄(qiao)无声息地(di)影(ying)响着我(wo)们生活的方方(fang)面(mian)面(mian)。当我(wo)们谈(tan)论(lun)浮(fu)力时(shi)，脑海中首(shou)先浮现的(de)往(wang)往是(shi)那(na)句耳(er)熟能(neng)详的“阿基(ji)米德(de)原(yuan)理”。没错(cuo)，这(zhe)位(wei)古(gu)希腊的伟大(da)先哲(zhe)，用他智慧的火花，点(dian)亮了我们(men)对浮(fu)力最(zui)初的认(ren)知(zhi)。

他发(fa)现，浸(jin)在液(ye)体中(zhong)的物(wu)体(ti)会(hui)受(shou)到(dao)一(yi)个向上(shang)的力(li)，这个力的(de)大小等于(yu)物体排开(kai)液(ye)体(ti)的重量。这(zhe)便是浮力的(de)核心奥(ao)秘(mi)，也(ye)是所(suo)有(you)“浮力(li)切(qie)换路线”的(de)起(qi)点。

这看(kan)似简单的(de)原理(li)，究竟是如(ru)何在现实(shi)世界(jie)中“切(qie)换(huan)”出如(ru)此(ci)多(duo)姿多(duo)彩(cai)的景象的呢？让(rang)我们(men)先从最基础的“沉浮”游戏说起(qi)。一块(kuai)铁沉入水(shui)中，而(er)一(yi)艘巨(ju)大(da)的轮船(chuan)却能漂浮在海(hai)面上，这(zhe)其中的(de)秘(mi)密，就在(zai)于物体与(yu)液(ye)体的密度(du)关系。简单(dan)来(lai)说(shuo)，如果(guo)一个物体的密(mi)度小(xiao)于液体(ti)的(de)密度，它(ta)就会漂(piao)浮；反之(zhi)，如果它大(da)于液体密度，它就(jiu)会下沉。

这(zhe)就像一场无(wu)声(sheng)的(de)较(jiao)量，密度(du)小(xiao)的(de)“轻盈”者(zhe)占据上风(feng)，而(er)密度大(da)的“沉(chen)重(zhong)”者则甘拜(bai)下风(feng)。

但(dan)是，浮(fu)力的(de)“切换路线(xian)”并非总是(shi)如此(ci)直观(guan)。有(you)时，即使物(wu)体(ti)的密度大(da)于液体，它也能(neng)凭借巧(qiao)妙(miao)的(de)设(she)计而获得(de)“浮”的(de)权利。这(zhe)就(jiu)不得(de)不(bu)提(ti)“排(pai)水(shui)量”这(zhe)个(ge)概念(nian)。对于船(chuan)只而言(yan)，它的(de)总(zong)重量(liang)是一定的，但(dan)它(ta)的体积庞大，而(er)且内部留有大(da)量(liang)的(de)空(kong)气(qi)空间(jian)。这样一来(lai)，虽然(ran)构成(cheng)船体(ti)的材料密度(du)可(ke)能大于(yu)水(shui)，但船(chuan)体(ti)整体(ti)的平均(jun)密度(du)却可以变(bian)得非常小，从而(er)能够排(pai)开(kai)足够(gou)多自身(shen)重量的液(ye)体(ti)，实现(xian)漂浮(fu)。

这就像一(yi)个体(ti)重(zhong)很(hen)重(zhong)的(de)人，如果穿上(shang)救生衣(yi)，也能在水(shui)面上(shang)悠然自得，道理(li)是相通的(de)。

在(zai)日常生活(huo)中，我们(men)也能发现(xian)浮力“切(qie)换路线”的有(you)趣应用(yong)。比(bi)如，你(ni)有没(mei)有留意过(guo)超市里的(de)密度计？这(zhe)种(zhong)利用浮(fu)力原理(li)制(zhi)成的(de)仪器(qi)，可(ke)以通过(guo)测量液体(ti)在其(qi)中漂浮的(de)高度(du)，来判断液(ye)体的(de)密度。从蜂蜜的浓稠度(du)到酒精(jing)的(de)浓(nong)度，密度计(ji)都能“一眼(yan)看穿(chuan)”，这(zhe)背(bei)后(hou)正是浮力在(zai)默默工作。

它(ta)就像一(yi)位公(gong)正的裁(cai)判(pan)，根据(ju)物体与液(ye)体的(de)“亲密(mi)程度”（也就(jiu)是密(mi)度），判定它们谁(shui)能“站立”在(zai)表(biao)面。

再进(jin)一步，浮力在液(ye)体中(zhong)的(de)“切(qie)换”还(hai)会受(shou)到(dao)液(ye)体(ti)本(ben)身性质的影响(xiang)。液体(ti)越“稠”，通(tong)常(chang)密度(du)也越(yue)大(da)，对物体(ti)的(de)浮(fu)力也(ye)就越(yue)大。想(xiang)象一(yi)下，在(zai)一杯(bei)清(qing)水(shui)中放(fang)入(ru)一个(ge)硬(ying)币(bi)，它(ta)会迅速(su)下(xia)沉；但(dan)在蜂(feng)蜜(mi)中(zhong)，硬币(bi)的(de)下沉(chen)速度会(hui)明显变慢，甚至(zhi)在某些情(qing)况下，你可以(yi)通(tong)过调(diao)整(zheng)硬(ying)币(bi)的(de)密度(du)，让它(ta)在(zai)蜂蜜中(zhong)缓(huan)慢(man)漂浮。

这就(jiu)像在一(yi)条拥挤(ji)的“道(dao)路”上，你的(de)前(qian)进(jin)速(su)度(du)会被(bei)大大(da)限制(zhi)；而在一条畅(chang)通无阻(zu)的“高速公(gong)路”上(shang)，你可以自(zi)由驰(chi)骋。

当(dang)然(ran)，浮(fu)力的“切(qie)换(huan)路线(xian)”并不仅(jin)仅(jin)局限于静(jing)态的沉浮(fu)。当(dang)物(wu)体(ti)在(zai)液体(ti)中运(yun)动(dong)时，液体(ti)还(hai)会(hui)对物体(ti)产(chan)生动态的(de)阻力，这也(ye)被(bei)纳入了更广阔的流体力(li)学(xue)范畴(chou)。但(dan)这(zhe)已经(jing)是更深层(ceng)次的(de)探(tan)索了，在(zai)最初(chu)的(de)“暗(an)道”中(zhong)，我们(men)已经(jing)窥(kui)见(jian)了浮(fu)力是(shi)如何从一(yi)个(ge)简(jian)单的物理(li)原(yuan)理(li)，在日(ri)常生(sheng)活(huo)中(zhong)“切(qie)换(huan)”出如(ru)此多的精彩表(biao)现。

它(ta)让我(wo)们理解了(le)为何(he)船只(zhi)不(bu)会沉(chen)没(mei)，为何(he)密(mi)度计能(neng)准确(que)测量，甚至在看(kan)似微(wei)不(bu)足道的(de)现象(xiang)中，也能感(gan)受到物(wu)理(li)学(xue)的(de)智慧。

浮力的“阳(yang)关道(dao)”：从空(kong)中飞(fei)翔(xiang)到深海(hai)探索的奇(qi)妙旅(lv)程

如果说(shuo)浮(fu)力的“暗(an)道”主要发生在(zai)液体之(zhi)中(zhong)，那么(me)浮力(li)的(de)“阳关(guan)道(dao)”则(ze)将我(wo)们带入了更为(wei)广阔的(de)天地(di)——空气(qi)，甚至(zhi)是真空(kong)。虽(sui)然(ran)我(wo)们(men)通(tong)常将浮力与液(ye)体(ti)联系在一(yi)起(qi)，但只要存(cun)在一种(zhong)介质，并(bing)且该介(jie)质(zhi)的密度与(yu)浸(jin)入其中(zhong)的物体存在(zai)差(cha)异，浮(fu)力就会应(ying)运而(er)生(sheng)。而空气(qi)，作为我(wo)们(men)赖以(yi)生存(cun)的(de)介(jie)质，同(tong)样(yang)也(ye)能产生浮(fu)力，只(zhi)不过这种(zhong)浮力相(xiang)比(bi)于液(ye)体(ti)中的浮(fu)力，往(wang)往要小(xiao)得(de)多(duo)。

我(wo)们最(zui)熟悉的利(li)用(yong)空气浮力的(de)例子(zi)，莫过于热气球(qiu)和(he)飞(fei)艇了(le)。它们能(neng)够“飞”起(qi)来，并(bing)非(fei)因为拥(yong)有翅膀，而(er)是巧(qiao)妙(miao)地(di)利用(yong)了(le)空(kong)气浮力的“切换(huan)路线(xian)”。热(re)气球内(nei)部的(de)空气(qi)被加(jia)热后(hou)，其(qi)密度会(hui)变得比(bi)周(zhou)围(wei)冷的空(kong)气(qi)小，根据(ju)阿基米德(de)原理(li)，热气球就受到(dao)了一个(ge)向上(shang)的(de)浮力(li)，这个浮力(li)足以抵消(xiao)气球(qiu)本身的重量(liang)，使(shi)其缓缓升(sheng)空。

而飞艇则(ze)更进一(yi)步(bu)，它内部(bu)充(chong)满(man)了比(bi)空气密度(du)小的(de)气(qi)体，如氦气或(huo)氢气。这些气体产生(sheng)的浮力，让飞艇在空(kong)中“漂浮”，再(zai)配合(he)推进器(qi)，便能实(shi)现定向(xiang)飞行(xing)。它(ta)们就像巨(ju)大(da)的(de)、会飞的“船”，在空(kong)气的海洋(yang)中航(hang)行。

飞(fei)机(ji)，虽然其升空(kong)主要依靠(kao)机翼产生(sheng)的升(sheng)力(li)，但(dan)空气浮力在(zai)其(qi)中(zhong)也(ye)扮演(yan)着一(yi)个(ge)不容忽(hu)视(shi)的(de)角(jiao)色(se)。在飞(fei)机(ji)起飞和飞(fei)行(xing)过程中，飞机的(de)总(zong)重量(liang)需要(yao)被(bei)升力(li)所抵(di)消，而(er)空气(qi)浮(fu)力作为(wei)一种向(xiang)上(shang)的作(zuo)用力，也在(zai)一定(ding)程度上“减(jian)轻”了(le)飞机所需(xu)的升(sheng)力(li)负(fu)担。虽(sui)然这(zhe)个负担(dan)减轻(qing)的(de)幅度(du)相(xiang)对较小(xiao)，但在(zai)如此庞大(da)的飞(fei)行器(qi)面前，任何(he)一点(dian)力量的(de)帮助都(dou)显得(de)弥(mi)足(zu)珍贵。

浮力(li)的“阳关(guan)道(dao)”最令人惊叹(tan)的(de)“切换(huan)”之一(yi)，无(wu)疑(yi)是深(shen)海潜水艇(ting)的出(chu)现。潜水艇(ting)能(neng)够(gou)在深(shen)邃的(de)海洋中(zhong)自由(you)穿(chuan)梭，其(qi)核心(xin)原理(li)仍然(ran)是浮力的巧妙(miao)运用(yong)。潜(qian)水艇通过改(gai)变自(zi)身的(de)“平均密度”，来(lai)实(shi)现上(shang)浮(fu)和(he)下潜(qian)。当潜(qian)水(shui)艇需要(yao)下潜时，它(ta)会(hui)向(xiang)压(ya)载(zai)舱（ballasttank）注(zhu)入海水，增加自(zi)身的总(zong)重量，从(cong)而使(shi)平均(jun)密度(du)大于水(shui)的密度，开始(shi)下沉(chen)。

反之，当需(xu)要上浮(fu)时，则通(tong)过压(ya)缩空(kong)气将海水(shui)排出压(ya)载(zai)舱，减轻(qing)总(zong)重量(liang)，使平(ping)均(jun)密(mi)度小(xiao)于水(shui)的密(mi)度，依(yi)靠(kao)浮(fu)力上浮。这就像(xiang)一(yi)个能够(gou)在水中“呼吸”的生物，通(tong)过(guo)调节(jie)自身(shen)的“重(zhong)量”，来(lai)控制(zhi)在(zai)水中的(de)位(wei)置(zhi)。

更进(jin)一(yi)步(bu)，现代科学还探(tan)索着(zhe)浮力在更(geng)多前沿领域的(de)应用(yong)。例如(ru)，在微(wei)重力环境(jing)下，尽管重(zhong)力效(xiao)应减弱，但物(wu)体(ti)在流(liu)体中(zhong)的行为仍(reng)然(ran)会(hui)受(shou)到(dao)一定(ding)程度的(de)浮力影(ying)响，这(zhe)对于太空实(shi)验(yan)和(he)材(cai)料科(ke)学的研究(jiu)至关(guan)重要(yao)。一(yi)些科学(xue)家还在研究利(li)用浮力来设计(ji)新型的交通(tong)工具，甚(shen)至探索在(zai)其他星球(qiu)上，例如(ru)火(huo)星，利用其(qi)稀薄(bao)的大(da)气产生浮(fu)力进(jin)行探(tan)测(ce)的(de)可(ke)能性。

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图片来源：每经记者 陈家秋 摄

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