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流体力学

阿基米德原理

阿基米德 F = ρgV,由压力差向上,按密度比浮沉

把物体轻轻推进水里,物体进去多少,水就向旁边挤出多少,水面升高,同时手上感到一个向上托的力。放得越深,这个力向上推得越狠。这个力就是浮力。浮力的大小恰好等于物体挤出去的水的重量,这就是 2200 年前阿基米德在浴缸里明白的那件事。决定浮力的不是物体重还是轻,而是挤出了多少水,所以铁块下沉,同样的铁做成的船却浮在水上。 挤出去的水的重量把手掌向上推。

先拖动物体沉进水里多少,物体沉在水下的体积那么多、原来在那里的水就被挤出去。这就是被挤出的体积。沉下去的体积越大,挤出的水越多,向上受到的浮力也跟着变大。只沉一半,浮力也是一半,全沉就是最大。造出浮力的不是物体本身,而是物体挤进去、挤出去的那部分水,也可以看成原来占着那个位置的水想把位置夺回来的力。 沉下去的位置越大,想夺回位置的水也越大。

为什么偏偏向上推?压力越深越大,沉下去的物体的下表面比上表面更深,用更强的压力向上托。下面托的压力比上面压的压力大,差出来的就是纯粹向上的力。把深度往下拖,让物体更深,上下压力都变大,可是两者的差由物体的高度决定,所以不变。因此浮力与深度无关,大小恒定,那个大小就是被挤出水的重量。 上面和下面的差,就是托住的力。

现在拖动物体的密度。比水轻的物体浮上来,停在恰好挤出等于自己重量的水的那个深度,下沉的比例就是物体密度除以水的密度。密度是水的 0.6 倍,就只沉 60% 浮着。冰山大部分埋在水下,也是因为冰的密度大约是水的 0.9 倍,所以 90% 沉着。反过来,比水重的物体即使全沉,浮力也胜不过重量,就下沉。浮还是沉,不由重量分,而由和水的密度比较来分。 密度比定下沉下去的那一份,把其余留在水上。

收成一个式子,浮力是 F = ρ g V。ρ 不是物体的密度,是周围流体的密度,g 是重力加速度,V 是沉下去的体积,也就是被挤出的体积,三个相乘就是被挤出流体的重量。拖动流体密度 ρ,同样的体积,越重的流体浮力越大。关键是 ρ 是流体的密度。海水里的浮力比淡水稍大,在水银里铁也会浮。物体用什么做成,不出现在浮力式子里,只要有流体和被挤出的体积就够。 流体越重,同一个位置也向上推得越狠。

最后看铁做的船。用按钮把同样多的铁换成实心的块,再换成空心的船形。成块的时候挤出的水少,浮力胜不过重量,就下沉。摊开、把里面掏空的船形,用同样的重量挤出多得多的水,被挤出水的重量等于整船重量的那一瞬间,船就浮起来。关键是平均密度。把里面掏空,连船里的空间一起算的平均密度就低于水。巨大的货船能浮,秘诀就是这块空,以及它挤出去的许多水。 空把平均拉到水下面。

实际应用收起来说,浮力等于物体挤出的流体的重量。F = ρ g V,这里 ρ 是流体的密度,V 是沉下去的、也就是被挤出的体积。浮力朝上,是因为静水压把下表面托得比上表面更狠,那个差恰好是被挤出的重量,所以浮力与深度无关。浮还是沉,由物体密度和流体密度的比较来分,浮着的物体下沉的比例是两个密度之比,铁船能浮是因为掏空里面、把平均密度降到了水以下。转到流动的流体,速度场和流线就是下一处的起点。 浮力的式子里不进物体的材料。
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