谈浮力

2022-09-10

1 浮力的定义

液体和气体对浸在其中的物体有向上的托力, 物理学中把这个托力叫做浮力。漂浮于流体表面或浸没于流体之中的物体, 受到各方向流体静压力的向上合力。其大小等于被物体排开流体的重力。例如石块的重力大于其同体积水的重量, 则下沉到水底。浮木或船体的重力等于其浸入水中部分所排开的水重, 所以浮于水面。气球的重量比它同体积空气的重力小, 即浮力大于重力, 所以会上升。这种浸在水中或空气中, 受到水或空气将物体向上托的力叫“浮力”。浮力的作用点称为浮心, 浮心显然与所排开液体体积的形心重合。

2 浮力产生的原因及液体中浮力计算

中学物理当中, 我们已经对浮力产生的原因有了一定的了解。由定义可以看出, 在液体和气体中, 由于液体和气体对存在其内部的物体向上托而产生的。但是, 这只是很肤浅的了解。我们现在可以以一个正方体为例来分析浮力的产生。一个可以完全浸入水中的正方体由于其各个面在水中的深度不同, 从而受到水的压力不同。随着深度的增加, 物体所受到的压力也随之变大。正方体的前后、左右四个侧面, 在同一深度, 且面积相等, 因此所受到水的压力大小是相等的。前后两面的压力大小相等方向相反, 相互抵消。同理, 左右两面的压力也相互抵消。但是, 在水中的上下两个面的面积相等, 深度不同, 有前面的指示可以指导下底面所受的压力比较大且方向向上, 因此在水中此正方体所受到的合外力为上下两个面的压力之差, 且方向向上, 这个合力就是浮力。这个力等于被物体所排开的液体的重量。

当一个浮体的顶部界面接触不到液体时, 则只有作用在底部界面向上的压力才会产生浮力。至于一个位于容器底面上的物体, 并和容器底面密切接触, 那它就只能受到向下作用于物体表面的液体压力下, 所以这个物体不受浮力作用, 这种现象并不多, 因为只要其间有一层很薄的液膜, 就能传递压强, 底面就有向上的压力, 物体上下表面有了压力差, 物体就会受到浮力。

由此, 我们可以得出浮力的计算公式为:F浮=G排液=m排液·g=ρ液gV排。当F浮>G时, 即ρ液〉ρ物, 物体上浮;当F浮

3 浮力的应用

浮力在生活当中有很多的应用, 热气球、潜水艇等都是浮力领域的产品。在现代的军事领域当中, 潜水艇已经并不陌生的出现在各个国家的军事储备中, 潜水艇, 是海军的主要舰种之一, 在战斗中的主要作用是:对陆上战略目标实施核袭击, 摧毁敌方军事、政治、经济中心;消灭运输舰船、破坏敌方海上交通线;攻击大中型水面舰艇和潜艇;执行布雷、侦察、救援和遣送特种人员登陆等。

潜艇主压载水舱注入水时, 增加重量抵消其储备浮力, 即从水面潜入水下。当主压载水舱注满水时, 潜水艇在水中悬浮, 这是潜水艇所受到的浮力等于与它等体积的海水的重量。用压缩空气把主压载水舱内的水排出, 重量减小, 储备浮力恢复, 即从水下浮出水面。艇内设有专门的浮力调整水舱, 用于注入或排出适量的水, 以调整因物资、弹药的消耗和海水密度的改变而引起的潜艇水下浮力的变化。艇首、艇尾还设有纵倾平衡水舱, 通过调整首、尾平衡水舱水量以消除潜艇在水下可能产生的纵倾。艇首 (或指挥室围壳处) 和尾部各设有一对水平升降舵, 用以操纵潜艇变换和保持所需要的潜航深度。艇尾装有螺旋桨和方向舵, 保证潜艇航行和变换航向。

热气球, 更严格的讲应叫做密封热气球, 由球囊、吊篮和加热装置三部分构成。球皮是由强化尼龙制成的 (有的热气球是由涤纶制成的) 。尽管它的质量很轻, 但却极结实, 球囊是不透气的。对于热气球, 我们都不是很陌生, 在我们的日常生活中很常见的一种工具。

热气球的飞行的动力在于风力, 因此必须在有合适的条件下进行飞翔。但是在其气囊中冲入的气体的密度必须是小于空气的气体或者热空气, 这样就使得气球所受到的空气的浮力大于其重力, 才能让热气球在空中稳定的飞行而不至于坠落。在热气球升空之前如果用热空气作为填充气体, 必须是空气进行加热, 在加热的过程中空气的密度逐渐变小并填充进气囊中, 到填充气体使气球的浮力大于其重力的时候气球逐渐上升, 当气球达到一定的高度时, 通过调节保持气球的浮力等于其重力, 这样, 气球就能够悬浮在空中稳定的飞翔。热气球在生活当中主要被人们用作娱乐的工具, 但是在很早的时候, 热气球是一种重要的交通和通讯的工具。在军事等方面有重大的意义。

轮船已经成为现代社会的重要交通工具之一。而且其形式也逐渐由单调变得新颖, 各种各样的形势层出不穷。

在轮船的设计当中, 浮力也是其重点考虑的因素。轮船在造型方面都是空心的, 这样就增加他在海洋中行驶时的排水量, 从而达到支持船身在水面漂浮的浮力。当海水达到吃水线时, 船体在海水中的体积所排开的海水的重量等于其船体的重力, 因此船身能够稳定在海面上漂浮不下沉流线型艇体。在船只的制造过程中, 船体要焊接成不可分割的整体, 以保证水无法进入船体, 保持船体所受浮力等于其重力。

飞艇是由热气球演化而来的一种航天器。它与热气球的最大的区别在于具有推进和控制飞行状态的装置。飞艇由巨大的流线型艇体、位于艇体下面的吊舱、起稳定控制作用的尾面和推进装置组成。艇体的气囊内充以密度比空气小的浮升气体 (氢气或氦气) 借以产生浮力使飞艇升空。吊舱供人员乘坐和装载货物。尾面用来控制和保持航向、俯仰的稳定。

飞艇的原理和热气球很相似。在飞艇的气囊中充有比空气的密度小的氢气或者氦气, 这样以减小飞艇本身和所冲气体的综合密度, 使这个密度小于空气的密度, 这样飞艇在空中所受到的浮力足以大于本身的重力。目前军事用的飞艇都是用氦气保持其浮力。我们可以在反面证明浮力在飞艇上的应用的重要性。由于飞艇气囊中的氦气压力并不是很大, 仅仅只需要能保持其外形即可。被枪弹击中时, 如果枪洞不大, 那么氦气的泄漏速度将是非常缓慢的, 几乎可以暂时不用处理, 飞艇所受到的浮力仍然可以使其在空中平稳得飞行, 但是如果枪洞很大, 飞艇就不得不取消既定的行动计划, 但仍然有足够的时间返回基地。否则当飞艇所收的浮力小于重力时就会出现艇毁人亡惨案。