每经编辑｜陈超    

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引(yin)言(yan)：拨(bo)开(kai)迷雾，初见(jian)浮力(li)之美(mei)

浩瀚宇(yu)宙，万物(wu)皆有其道。在物(wu)理学的(de)宏(hong)伟殿堂中(zhong)，浮力无(wu)疑(yi)是最引人入胜(sheng)的现象之一(yi)。它(ta)悄无声(sheng)息地支(zhi)撑着巨轮在汪(wang)洋(yang)中航行，也(ye)让(rang)五彩(cai)斑斓的气(qi)球飘(piao)然升(sheng)空，甚(shen)至在(zai)我们每一(yi)次跳跃(yue)中(zhong)，都(dou)留下了它轻盈的(de)痕迹。而今(jin)，随着(zhe)科学(xue)技(ji)术的飞(fei)速发展(zhan)，我们对(dui)浮(fu)力(li)的(de)理解也(ye)进入了“18款(kuan)新知”的崭新(xin)阶段。

这(zhe)不仅仅(jin)是(shi)对经典理论的(de)复习(xi)，更是(shi)对(dui)浮(fu)力原(yuan)理在(zai)现(xian)代科(ke)技中应(ying)用深(shen)度与广度(du)的全(quan)新探(tan)索。

第一条(tiao)路线：从经典(dian)到前沿(yan)——阿基米(mi)德(de)原理(li)的时(shi)代(dai)新解

我们(men)都(dou)知(zhi)道，阿基(ji)米德(de)原理(li)是理(li)解(jie)浮力(li)的(de)基石(shi)：“浸在(zai)液(ye)体(ti)中的(de)物体(ti)受(shou)到(dao)向上(shang)的浮(fu)力，浮力的(de)大小(xiao)等于(yu)物(wu)体(ti)排开的液体的(de)重力。”这(zhe)一(yi)简洁(jie)而深刻(ke)的论断(duan)，由古(gu)希腊(la)的伟(wei)大智(zhi)者(zhe)在两千(qian)多年(nian)前提出，至今(jin)仍闪耀着智(zhi)慧的光芒(mang)。在“18款(kuan)新知(zhi)”的(de)视(shi)角下(xia)，我们(men)不再仅(jin)仅满足于此。

微观(guan)世界的视角：现代(dai)物(wu)理学，尤其是(shi)统计力学(xue)和(he)流(liu)体力(li)学，为我们提(ti)供(gong)了(le)更精(jing)细的(de)观(guan)察维(wei)度(du)。我们开(kai)始(shi)从分(fen)子的相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)、流体的内部能(neng)量以及(ji)动(dong)量守(shou)恒等(deng)更深(shen)层(ceng)次(ci)的角(jiao)度去审视(shi)浮力(li)。例(li)如(ru)，研究(jiu)人员利用(yong)计算(suan)流体动(dong)力学(xue)（CFD）技(ji)术，能够精(jing)确(que)模(mo)拟物体在复杂(za)流体环境中的(de)受力(li)情况(kuang)，即使(shi)在(zai)物(wu)体形(xing)状不(bu)规(gui)则(ze)、流体(ti)运动(dong)turbulent的(de)情况下(xia)，也能预测其浮(fu)力变化。

这(zhe)对于航(hang)空(kong)航(hang)天、深(shen)海(hai)探测(ce)等(deng)领域(yu)至关重(zhong)要。能量守(shou)恒的体现：浮力可(ke)以(yi)被视(shi)为(wei)一种能量(liang)传递的(de)过程(cheng)。当一个物体浸(jin)入(ru)液体(ti)时，它会“挤压(ya)”液体(ti)，迫使(shi)其占据(ju)新(xin)的空(kong)间，而这一过程(cheng)需要(yao)消耗能量(liang)。反过来(lai)，液(ye)体对物体施(shi)加的浮(fu)力，实(shi)际(ji)上是将部分液(ye)体(ti)势(shi)能(neng)转化为物体动(dong)能或(huo)对物体做的功(gong)。

这种(zhong)能量(liang)观的(de)视角，让浮(fu)力(li)不再是(shi)孤(gu)立(li)的力(li)，而是能(neng)量(liang)转(zhuan)换链条(tiao)中的一环(huan)。动(dong)态浮力(li)与非牛(niu)顿流体(ti)：传统的浮力理(li)论大(da)多(duo)基于静态平衡(heng)。但(dan)现实(shi)世界(jie)中，许(xu)多物(wu)体和流体是动(dong)态变化的(de)。研究(jiu)“动态浮(fu)力”——即物(wu)体在运(yun)动过程(cheng)中所受(shou)的浮力(li)变(bian)化——变得(de)越(yue)来越(yue)重(zhong)要(yao)。例如，在(zai)水翼船的设(she)计(ji)中，就必须考虑高速运动下水(shui)翼所(suo)受的(de)动(dong)态(tai)浮(fu)力(li)。

对(dui)于非牛顿(dun)流体（如太白(bai)粉溶液(ye)，你(ni)越用力搅(jiao)动它(ta)，它反(fan)而(er)越坚硬），浮力的(de)表(biao)现形式也(ye)更加(jia)复杂，需要(yao)专门(men)的(de)理论(lun)和(he)实验(yan)方(fang)法来研(yan)究。

第二条路(lu)线(xian)：密(mi)度(du)与体(ti)积的精妙博(bo)弈——沉浮(fu)条(tiao)件的(de)现(xian)代解读

物体(ti)之所以(yi)能(neng)漂(piao)浮(fu)、悬浮或(huo)下沉，本质上是(shi)其自(zi)身密度与(yu)液体密度(du)的(de)较(jiao)量，以(yi)及(ji)物体排开液(ye)体体积的(de)决定(ding)性作(zuo)用(yong)。在(zai)“18款新知”的框架(jia)下，我们(men)对(dui)这(zhe)一博弈有了更深(shen)刻的理解。

“密度(du)计”的智能化(hua)升(sheng)级：传统(tong)的(de)密(mi)度(du)计（如(ru)浮计）通过(guo)物体(ti)自(zi)身(shen)的沉(chen)浮来(lai)测量液体(ti)密度(du)。而现代(dai)科(ke)技则通(tong)过集(ji)成(cheng)微(wei)传(chuan)感器(qi)、数据(ju)处(chu)理芯片(pian)，实现(xian)了密(mi)度(du)测(ce)量的(de)高度智(zhi)能(neng)化和(he)自动化。例如，可(ke)以集成到工业(ye)管道中(zhong)的微型传感(gan)器(qi)，能够实(shi)时(shi)监(jian)测(ce)流体(ti)密度(du)，并将(jiang)数据传(chuan)输到中(zhong)央控制系(xi)统，实(shi)现生产过程(cheng)的(de)精(jing)准调控(kong)。

“排开水(shui)的(de)体(ti)积”的(de)动态测量(liang)：对于(yu)形(xing)状(zhuang)复(fu)杂或运动(dong)中的物(wu)体(ti)，精(jing)确测(ce)量其(qi)排开液体(ti)的体(ti)积是(shi)一项挑(tiao)战。激光扫描(miao)、超声(sheng)波探(tan)测等(deng)技术，使得(de)我们可(ke)以(yi)实(shi)时(shi)、无损地测(ce)量物体在水(shui)中(zhong)占据的(de)空间，从而更精确(que)地计(ji)算浮力。这(zhe)在船(chuan)舶航行安(an)全检测、潜(qian)水(shui)器性能(neng)评估等方(fang)面有(you)着重(zhong)要(yao)应用(yong)。

“沉(chen)浮条件(jian)”的(de)概(gai)率(lv)化与模糊(hu)化：在(zai)某些(xie)极端或复(fu)杂的(de)情况下(xia)，物(wu)体的(de)沉(chen)浮(fu)可能不(bu)再(zai)是简单的(de)“是(shi)”或(huo)“否(fou)”，而是具(ju)有(you)一(yi)定的概率(lv)性。例(li)如，微(wei)小颗(ke)粒在流(liu)体(ti)中的布朗运动(dong)，就受(shou)到(dao)了(le)随机碰(peng)撞(zhuang)力(li)的影响(xiang)，其“沉浮”状态呈(cheng)现(xian)出一定的概率分(fen)布。而一些(xie)具有(you)自适(shi)应能(neng)力的材料，也(ye)能根据(ju)外部环(huan)境的变(bian)化，改变自身的(de)有效密度(du)，从(cong)而(er)实现(xian)可控的沉(chen)浮。

小(xiao)结(jie)：

“18款(kuan)新知”为我们打(da)开了(le)理解浮力(li)的一扇(shan)新(xin)门。我们不(bu)再局限(xian)于宏观(guan)的宏(hong)观(guan)现(xian)象，而是深入到(dao)微观(guan)的分子(zi)运动(dong)、能量的转化(hua)以及(ji)动态(tai)的变化过(guo)程。从阿(a)基(ji)米(mi)德(de)原理(li)的(de)经(jing)典回(hui)溯，到密(mi)度(du)与体积关(guan)系的现代解读，每一条“切(qie)换路线(xian)”都展现(xian)出浮力背(bei)后蕴(yun)含的深刻智慧(hui)与(yu)无(wu)限可能(neng)。

接(jie)下来的Part2，我们将(jiang)继续深入探索(suo)浮(fu)力在现代科(ke)技中的具体应(ying)用，以(yi)及那(na)些令(ling)人惊(jing)叹的“浮力(li)黑科(ke)技”。

第三(san)条(tiao)路线(xian)：浮(fu)力(li)在现代科技中(zhong)的“隐(yin)形翅(chi)膀”

浮力，这(zhe)个看似简(jian)单的(de)物理现象(xiang)，却在现(xian)代(dai)科(ke)技的各(ge)个领域(yu)扮演着举足(zu)轻重的角(jiao)色(se)。它(ta)如(ru)同“隐形(xing)翅膀(bang)”，默(mo)默(mo)支(zhi)撑(cheng)着许(xu)多(duo)我(wo)们(men)习(xi)以为(wei)常，甚至(zhi)不(bu)敢想象的(de)奇迹(ji)。

船(chuan)舶与潜艇(ting)的(de)“水上(shang)芭蕾(lei)”与“深海漫游”：船舶之所以(yi)能(neng)漂(piao)浮，正(zheng)是因(yin)为(wei)船体排(pai)开的(de)水的(de)重力(li)大于(yu)船自身的(de)重力。而(er)现(xian)代(dai)船(chuan)舶设(she)计(ji)，则(ze)是在(zai)此基(ji)础上(shang)，通(tong)过优化(hua)船体结(jie)构(gou)，提升材料强(qiang)度，来应对(dui)更复杂(za)的海(hai)洋环(huan)境和(he)更高(gao)的载重需(xu)求。而(er)潜(qian)艇，则是(shi)对浮(fu)力(li)原理(li)的(de)极致运(yun)用(yong)。

通过调节压载水舱中的(de)水量，潜艇能够(gou)精确控制(zhi)自身的整(zheng)体(ti)密度(du)，从(cong)而实现上(shang)浮、下(xia)潜(qian)和悬浮(fu)。最(zui)新(xin)的(de)潜(qian)艇(ting)技(ji)术，甚至能(neng)够(gou)利(li)用流体(ti)动(dong)力(li)学(xue)效(xiao)应，在(zai)高(gao)速(su)运动时产(chan)生(sheng)额外的升(sheng)力，从而实现更(geng)灵活的(de)机(ji)动。航空航天领(ling)域的(de)“轻(qing)盈(ying)之舞(wu)”：虽然大气层内(nei)的飞(fei)行主要依靠空气(qi)动力学(xue)，但浮(fu)力在(zai)某(mou)些(xie)特定(ding)场景(jing)下依(yi)然(ran)发(fa)挥(hui)作用。

例(li)如，热气球和(he)飞(fei)艇(ting)就(jiu)是利(li)用加(jia)热空气或充入比空(kong)气轻(qing)的气体（如(ru)氦气）来产(chan)生巨大的(de)浮(fu)力，从而(er)实现(xian)升空(kong)。在太(tai)空(kong)探(tan)索中(zhong)，虽(sui)然(ran)真空(kong)环境(jing)下不存在(zai)传统(tong)意义上的(de)浮力，但(dan)微(wei)重力环境(jing)下的(de)物体(ti)运动(dong)，与浮力原(yuan)理在(zai)某些(xie)方面有着(zhe)异曲(qu)同(tong)工之妙(miao)，都涉及到物体(ti)在某(mou)种“介质”中(zhong)的受(shou)力(li)平衡。

生(sheng)物工程与仿(fang)生(sheng)学的“生(sheng)命之舟(zhou)”：自然界中，许多(duo)生物都(dou)巧(qiao)妙地利用(yong)了浮力(li)原理。例如(ru)，水(shui)母通(tong)过体(ti)内充满(man)水(shui)的腔(qiang)体(ti)来(lai)获得(de)浮力(li)，海(hai)藻则(ze)依(yi)靠内部充(chong)满(man)空(kong)气的囊(nang)泡(pao)漂浮(fu)在水(shui)中(zhong)。现代生(sheng)物工(gong)程(cheng)学，正(zheng)在(zai)从这(zhe)些自(zi)然界(jie)的“浮(fu)力大(da)师”身(shen)上汲取(qu)灵感，设(she)计出(chu)能够自(zi)主调(diao)节浮(fu)力(li)的微型医疗设备，用于靶向给(gei)药或体内诊(zhen)断。

仿生(sheng)学也(ye)致(zhi)力(li)于模(mo)拟鱼(yu)鳔等结构(gou)，来提升(sheng)水(shui)下探(tan)测器的(de)续(xu)航能力和机(ji)动(dong)性。

第四条(tiao)路线：“浮力(li)黑(hei)科技”的(de)脑(nao)洞(dong)大开(kai)

除了(le)传统(tong)应用，前沿(yan)科技(ji)领域更是(shi)涌现(xian)出许多令(ling)人(ren)脑洞大(da)开的“浮力(li)黑科技”。

“负(fu)浮(fu)力”材(cai)料(liao)与(yu)“反重力(li)”的初步(bu)探(tan)索(suo)：科(ke)学家(jia)们(men)正在研(yan)究一(yi)种特殊的(de)“负浮力”材(cai)料，其密度(du)小于周(zhou)围介质。当(dang)这种材(cai)料被(bei)制(zhi)造(zao)出(chu)来(lai)时，它(ta)不(bu)仅(jin)会向(xiang)上(shang)漂(piao)浮，甚至可(ke)能产生一(yi)种“排斥”力。这(zhe)听起来(lai)像是科幻小说(shuo)，但其背后的(de)物(wu)理(li)原理，是(shi)基于(yu)对物(wu)质性(xing)质的(de)更深(shen)层次理解(jie)和(he)操控。

虽然距离(li)“反(fan)重力”还有(you)很长(zhang)的(de)路(lu)要走(zou)，但负(fu)浮(fu)力(li)材料(liao)的出现(xian)，为我们(men)打开(kai)了(le)新的想(xiang)象空间(jian)。水下“飞(fei)行(xing)器”与(yu)“悬浮(fu)平(ping)台(tai)”：借鉴飞机(ji)的空气(qi)动(dong)力学原(yuan)理，科学(xue)家(jia)们正在(zai)设计能够(gou)在(zai)水(shui)中“飞(fei)行(xing)”的无(wu)人潜(qian)水器(qi)。它们(men)通过调整推进(jin)器和鳍翼(yi)的姿(zi)态，能够产生类(lei)似升(sheng)力的水(shui)动(dong)力，从而(er)实现(xian)比(bi)传统(tong)潜(qian)艇更灵(ling)活(huo)、更(geng)快速的(de)水(shui)下运(yun)动。

一些研(yan)究项目也(ye)在探(tan)索能够自(zi)主调(diao)节浮(fu)力(li)，并长时间悬(xuan)浮在特定(ding)深(shen)度的(de)水(shui)下平(ping)台，用于海(hai)洋观(guan)测(ce)、资源(yuan)勘(kan)探等(deng)。“人造(zao)浮(fu)岛(dao)”与“漂(piao)浮城(cheng)市”的(de)未来畅想(xiang)：随着(zhe)海平(ping)面上(shang)升和(he)陆地(di)资源的(de)日益紧(jin)张，一些人(ren)开始(shi)畅想(xiang)建(jian)造“人造(zao)浮岛”甚至(zhi)“漂浮(fu)城市”。这些庞大(da)的结构(gou)将依靠(kao)复杂的(de)浮(fu)力系(xi)统和(he)结构(gou)工程，在海(hai)洋(yang)中稳定(ding)存在。

虽(sui)然(ran)面临(lin)巨(ju)大的(de)技术挑(tiao)战，但(dan)其(qi)理念(nian)本(ben)身(shen)就(jiu)展现了人类在驾(jia)驭浮力方面(mian)的雄心壮(zhuang)志。

结论(lun)：浮(fu)力，永(yong)无(wu)止(zhi)境的探索(suo)之旅

“18款(kuan)新(xin)知(zhi)”的(de)浮(fu)力(li)探索，是一(yi)场跨越时(shi)空(kong)的(de)科学(xue)之旅(lv)。我们(men)从经典的阿(a)基(ji)米德(de)原理出发(fa)，逐步深入(ru)到微(wei)观世界(jie)的(de)精妙(miao)计算(suan)、能量(liang)的转化(hua)，再(zai)到(dao)现代科(ke)技(ji)中(zhong)的各种神(shen)奇应(ying)用。从潜艇(ting)的深(shen)海漫(man)游(you)，到热(re)气球(qiu)的(de)自由(you)翱翔(xiang)，再(zai)到(dao)那些令(ling)人(ren)惊(jing)叹的“浮(fu)力黑科(ke)技(ji)”，浮力(li)无处(chu)不(bu)在(zai)，深刻(ke)地影响着我们(men)的生活和(he)未来(lai)。

每一(yi)次对浮力(li)的深入理(li)解，都(dou)是(shi)一(yi)次对(dui)自(zi)然规律(lv)的敬(jing)畏和(he)探索。随着科学技术(shu)的不断进(jin)步，“18款(kuan)新知(zhi)”仅仅(jin)是一(yi)个(ge)开始。我(wo)们有理由(you)相信，在未(wei)来的某一(yi)天，人类对浮力(li)的(de)掌控(kong)将达到(dao)一个(ge)前(qian)所(suo)未有的高(gao)度，解锁更多令(ling)人(ren)激动和惊叹(tan)的(de)科(ke)学(xue)奇(qi)迹。浮力，这颗物理学(xue)中的璀璨明珠，将继(ji)续在探(tan)索(suo)的(de)道(dao)路(lu)上(shang)，闪耀(yao)着(zhe)永恒的(de)光芒。

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图片来源：每经记者 陈沁星 摄

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