书接上文,关于浮力的测量和计算。我们先来阐述物体在液体中所受浮力的几种状态。
一、 漂浮,简单说就是飘在水面上,像乒乓球在水面上的情景。漂浮的另一种说法就是浸入水中的物体有一部分在水面以上,根据前面讲过的运动状态到受力情况的分析,可以知道漂浮的物体在竖直方向是静止的,它所受重力等于浮力。同学们可以体会一下。
二、 下沉,就是说物体已经全部浸入水中并且正在往水下运动。可以轻易地知道此时的受力情况是重力大于浮力,例如放在水里的一颗铁球,可以想象最终会下沉到底。
三、 悬浮,就是说物体既不露出水面也不向下沉,而是静止在水中,此时也可以分析出它的受力情况,重力等于浮力。
上一篇我们介绍了规则物体正方体木块在水中所受浮力的情况,就是利用浸入水中的高度算出压强,然后再结合底面积算出浮力。但是实际情况中,如果只能计算规则物体,有准确的底面积那种,那么可以处理的问题就太过狭隘了,因为我们大部分时候浮力所遇到的都是不规则物体,例如随便的一根木棍或者不规则的木块等等,你根本无法准确求得它的底面积。
所以我们这里再介绍求物体所受浮力的几种方法。
一、利用弹簧测力计,对于漂浮或者悬浮的物体,直接可以知道浮力就等于重力。
对于下沉的物体,先求出物体本身的重力,然后浸入水中再测一次所受重力,把两次的结果作差,就可以得知物体所受重力的大小。
二、就是阿基米德原理,这里我试着用一个实验过程来阐述一下对它的理解。假设现在有一个轻质的球体,比如说一颗乒乓球,我们忽略乒乓球本身的重量。
我现在把它放入水中,由于它的质量忽略不计,所以我们可以知道,乒乓球是完全飘在水中的。
现在我们把乒乓球完全用水注满,如果忽略掉乒乓球的重量。注满水的乒乓球就相当于一颗水球,同学们体会一下。那么此时你把水球放在水中,可以想象水球本身既不会外露出水面也不会下沉到底,水球本身会悬浮在水里。此时我们可以对水球本身做一下受力分析,你会发现它因为悬浮静止,所以所受浮力等于自身重力。
那么现在我们把球体中的水减去一半,可以想象球体会有一半漂浮在水面上。也就是说注满水的部分会处在水里,但是空气的部分便会留在水面外。此时我们再对球体做一下受力分析,因为球体漂浮,所以浮力等于重力。
经过这几个过程的分析,同学们有没有体会到,似乎球体浸入水中的部分所受的浮力正好等于浸入部分所占的体积内包含的水的重力。
完全漂浮、悬浮、一半浸入水中
我们换一种书上的描述方法:浸在液体中的物体受到的向上的浮力,大小等于它排开的液体所受的重力。这就是阿基米德原理。
也就是说物体占据了本属于液体的空间,那么好,此时液体就要对你有一种向上的作用力,而它的大小就正好等于所占空间同体积的液体的重力。
我再换一种表述方式,假设我是液体小颗粒,我和我的兄弟们在空间的某一处待得好好的,突然有个家伙来把我挤走了,我当然很生气,当然也要挤你,你占了我们体积为V的空间是吧,好,我也要动员这个空间内所有的兄弟来挤你,也就是对你产生作用力。但是因为我的能力有限,最多也就是使出我自己所受重力那么大的力来挤你。但是这里有一点,你挤走我越多的兄弟,就同样有越多的水来挤你。而你所受的浮力也就取决于你挤走的水的重量。
这里有一个重要的公式F浮力=ρ*V排g。我们知道ρ*V排=m(质量)。前面我们介绍了浮力产生的根本原因,是上下表面的压强差,今天我们讲了,力的大小就等于所排开的水的重力。