浮力
一艘庞大的钢铁货船能够漂浮，而一枚小小的钢币却会下沉——同样的材料，结果却截然不同，而这个现象的解释并不仅仅关乎重量。任何浸入流体中的物体都会把一部分流体排开，而流体会以一个向上的力作出反作用，这个力的大小恰好等于被排开部分的重量——这一关系是阿基米德在两千多年前发现的，至今仍被原封不动地教授，是物理学中最古老的定量定律之一。这股向上的推力是否足以支撑住物体，并不只取决于物体的重量，还取决于它的形状：一艘船的船体相对于自身重量能排开巨大体积的水，而一枚实心硬币排开的水却非常少。
上浮与下沉
如果物体在完全没入前，浮力就能平衡其重力，它就会漂浮。若物体的平均密度大于流体密度，它就会下沉，因为最大浮力仍不足以支撑它。
阿基米德原理
当一个物体浸入流体中时，它会把一部分流体挤开——这叫做排开。被排开的流体会以一个向上的力反推物体，这个力的大小等于被排开流体的重量。如果这个向上的推力能够等于物体自身的重量，物体就会浮起来；如果物体太重，超过了它所能排开的流体的重量，它就会下沉。
公式
F_b = ρ · V · g
- ρ — 流体密度 (kg/m³): 流体单位体积的质量
- V — 排开体积 (m³): 物体排开的流体的体积
- g — 重力加速度 (m/s²): 使一切物体向下坠落的重力加速度
解题示例
一个物块排开了0.002立方米的水。水的密度为每立方米1000千克。水对物块产生的浮力是多少？
- ρ = 1000 kg/m³
- V = 0.002 m³
- g = 9.8 m/s²
- F_b = ρ · V · g
- F_b = 1000 kg/m³ · 0.002 m³ · 9.8 m/s²
F_b = 19.6 N
自我检测
同一个物块现在排开了0.004立方米的水，而不是0.002立方米。新的浮力是多少？
- 19.6 N
- 正确答案: 39.2 N
- 9.8 N
答对了！体积翻倍，浮力也翻倍:1000 kg/m³ × 0.004 m³ × 9.8 m/s² = 39.2 N。
一个重15牛顿的物块被放入水中，若完全浸没最多能排开价值20牛顿的水。会发生什么？
- 正确答案: 它会漂浮，因为浮力可以等于它的重量
- 它会下沉，因为浮力只取决于体积
- 它会漂浮，因为水中的所有物体都会漂浮
正确——一个15牛顿的物块放入最多能提供20牛顿浮力的水中会漂浮，它会下沉到刚好使排开的水重量等于15牛顿的深度。
在哪里能看到
钢制的大船能浮在水上，尽管钢比水密得多——因为船体封闭了足够的空气，能排开巨大体积的水，而被排开的这些水的重量恰恰就是托住船的力量。冰山则从反面说明了同一个道理：冰的密度只比海水略小，所以冰山约有 90% 位于水面之下。
常见误区
最常见的错误是只凭物体本身判断沉浮——重并不等于会沉。一个 15 N 的物块，只要最多能排开 20 N 的水，就能浮在水上，因为漂浮与否取决于把物体的重量与它所能推开的流体的重量相比较。第二个易错点：把完全浸没的物体往更深处按并不会增大浮力——排开的体积已经不再变化，F_b = ρ · V · g 也就不再变化。
关联知识
这个向上的推力是化了装的静水压强：浸没物体的底部比顶部所处的深度更大，而压强随深度增大，所以流体向上推底部的力比向下压顶部的力更猛——这种不平衡就是浮力。接下来的伯努利原理则接过同一团流体，一旦它流动起来，就把那份压强换成了速度。