浮力

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引言

浮力是浸没在流体中的物体所受到的向上力。流体可以是水、其他液体，甚至是气体，只要它不能完全渗透到固体物体中即可。作用在物体上的这个向上力被称为浮力，可以使用阿基米德原理计算，该原理指出，被排开的流体（液体或气体）的重量等于浸没在其中的物体体积的重量。

材料密度越大，例如铅或金，其对浮力的反作用力就越大。如果您将一块石头和一个充气的气球以相同的深度放入水中，两者都会下沉，因为它们的重量相同。但是，由于空气的密度小于水，它产生的反作用力小于石头。这意味着即使含有大量空气的物体的总重量大于其他含有较少空气的物体的重量，它也可以漂浮在液体顶部。例如，当船只沉入水中时，它会排开足够多的周围流体，使其总体密度小于海水密度。然后，船会浮回水面，直到再次排开足够的海水以产生对抗重力的反作用力。

浮力

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当物体完全或部分浸没在流体中时，它会受到向上的力。这是由于重力同时作用于水的质量和体积造成的；因此，它可以用数学表达式表示为

$$\mathrm{F\:=\:\rho Vg}$$

其中$\rho$表示水的密度，g表示重力加速度。

浮力的量级取决于两个因素：

• 物体排开的流体量（即，体积），

• 液体和固体物体密度之间的差异（即，相对密度）。

例如，如果您将一块石头放入水中，它会下沉，因为它的质量大于该石头排开的水的体积。但是，如果您将同一块石头放入蜂蜜中，它会漂浮，因为它的质量小于该石头排开的蜂蜜的体积。

阿基米德原理

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阿基米德原理是一条物理定律，它指出任何完全或部分浸没在静止流体（液体或气体）中的物体都会受到一个向上的推力，该推力等于物体排开流体的重量。该原理解释了为什么船会漂浮以及为什么飞机能够飞行。它也适用于除水（例如蜂蜜）或空气以外的其他液体或气体中的浮力和沉没。

该原理可以确定物体在特定情况下是漂浮还是下沉。只要它的密度小于水，它就会漂浮在顶部；如果它的密度大于水（密度更大），它就会下沉。

阿基米德原理与浮力的关系

阿基米德原理与物体如何在水上漂浮有关。这条浮力定律可以表述为：任何完全或部分浸没在流体中的物体都会受到一个向上的力，该力等于该物体排开流体的重量。如果您曾经被困在流沙中或观察过您的猫试图从浴水中出来，那么您就亲眼目睹了阿基米德原理的作用。

浮力的原因

浮力是由压力差引起的。物体漂浮的压力取决于其相对于水的密度。如果物体的密度大于水，它就会下沉；如果小于水，它就会漂浮。

例如，钢的密度为7.85 g/cm³（0.284 lb/in3），而水的密度为1 g/cm³（1 lb/ft3）。因此，钢会沉入水中，不会受到浮力。另一方面，木材的密度为0.5 g/cm³（1.92 lb/ft3），因此它会漂浮在水上并受到浮力。重量超过其浸没其中的液体的重量的物体往往会下沉，因为作用在其上的向下力大于液体向上力。这种不平衡产生了我们所说的浮力：来自下方的向上压力平衡来自上方的向下压力。

浮力的应用

热气球

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热气球（或仅仅是热气球）是一种比空气轻的飞行器，它悬浮并由内部热源上升的暖气推动。气球外壳通过包含上升的加热浮升气流来保持其内容物比外部冷空气更温暖，该气流即使在外部压力降低的情况下也能保持其温度和体积。可以通过使用机载燃烧器推进的热气球被正确地称为热空气飞艇。

潜艇

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潜艇利用浮力来排出其船体内的水并改变自身的密度，从而在水中上下移动。这就是为什么潜艇通常被称为潜水器的原因：它们可以通过向压载舱注满海水来潜入海平面以下。

常见问题

Q1. 浮力有哪三种类型？

答：中性浮力：既不下沉也不漂浮

正浮力：漂浮在水面上

负浮力：沉在水底

Q2. 浮力和密度有什么关系？

答：它与流体的密度成正比。

Q3. 浮力的公式是什么？

答：F_b表示浮力，V_f表示被排开的流体体积-

$$\mathrm{Fb\:=\:gp\:Vf}$$

Q4. 浮力是否取决于液体？

答：作用在浸没在液体中的物体上的浮力仅取决于物体有多少体积位于水面之上，而与该物体部分排开的液体量无关。被排开液体的重量确实在决定总浮力方面发挥作用。

密度 = 质量/体积。

因此，在任何给定体积上的更大质量都会增加密度，从而通过增加相对于排开体积的重量来降低浮力。