什么是浮力?起源,原则,公式

浮力是使船只和海滩球漂浮在水面上的力量。术语浮力是指流体(液体或气体)施加在部分或完全浸没在流体中的物体上的向上力。浮力也解释了为什么我们可以比陆地更容易地在水下提起物体。

关键提示:浮力

  • 浮力一词是指流体施加在部分或完全浸没在流体中的物体上的向上作用力。
  • 浮力来源于静水压力-静态流体施加的压力。
  • 阿基米德原理指出,浮力施加在部分或完全浸没在流体中的物体上的力等于被物体移位的流体的重量。

尤里卡时刻:浮力的**次观察

根据罗马建筑师Vitruvius的说法,希腊数学家和哲学家阿基米德在公元前3世纪首次发现浮力,同时对锡拉丘兹国王Hiero II给他提出的问题感到困惑。希罗国王怀疑他的金冠是用花环制成的,实际上并不是由纯金制成的,而是金和银的混合物。

据称,阿基米德在洗澡时注意到他沉入浴缸的次数越多,流出的水就越多。他意识到这是他困境的答案,并在哭泣“Eureka!“(”我找到了!“)然后,他制作了两个与冠部重量相同的物体-一个金和一个银-并将每个物体放入装有水的边缘容器中。

阿基米德观察到银质量导致更多的水从容器中流出,而不是金。接下来,他观察到他的"黄金"**导致更多的水从容器中流出,而不是纯金o他创造的主题,即使两个冠的重量相同。因此,阿基米德证明他的王冠确实含有银。

虽然这个故事说明了浮力的原理,但它可能是一个传说。阿基米德从未自己写下这个故事。此外,实际上,如果确实将少量银换成金,则排出的水量将太小而无法可靠地测量。

在发现浮力之前,人们认为物体的形状决定了它是否会漂浮。

浮力和静水压力

浮力来自静水压力的差异-静态流体施加的压力。放置在流体中较高的球将比放置在较低位置的相同球承受更小的压力。这是因为当流体更深时,球上有更多的流体,因此重量更大。

因此,物体顶部的压力弱于底部的压力。可以使用公式force=Pressure x Area将压力转换为力。有一个净力指向上。无论物体的形状如何,这个净力都指向上-是浮力。

静水压力由P=r g h给出,其中r是流体的密度,g是由于重力引起的加速度,h是流体内部的深度。静水压力不取决于流体的形状。

阿基米德原则

阿基米德原理指出施加在部分或完全浸没在流体中的物体上的浮力等于被物体移位的流体的重量。

这由公式F=rgV表示,其中r是流体的密度,g是由于重力引起的加速度,V是i的流体体积被物体移位。V仅等于对象完全浸没的体积。

浮力是一种向上的力,它与向下的重力相反。浮力的大小决定了物体在浸入流体中时是否会下沉,漂浮或上升。

  • 如果作用在其上的重力大于浮力,物体就会下沉。
  • 如果作用在其上的重力等于浮力,物体就会漂浮。
  • 如果作用在其上的重力小于浮力,物体就会上升。

也可以从公式中得出其他几个观察结果。

  • 具有相同体积的水下物体将置换相同量的流体并经历相同大小的浮力,即使物体由不同的材料制成。但是,这些物体的重量会有所不同,会漂浮,上升或下沉。
  • 密度比水低约800倍的空气的浮力要比水小得多。

示例1:部分浸没的立方体

将体积为2.0cm3的立方体浸入水中的中途。立方体经历的浮力是什么?

  • 我们知道F=rgV。
  • r=水密度=1000 kg/m3
  • g=重力加速度=9.8 m/s2
  • V=立方体体积的一半=1.0 cm3=1.0*10-6m3
  • 因此,F=1000 kg/m3*(9.8 m/s2)*10-6m3=.0098(kg*m)/s2=.0098牛顿。

示例2:完全浸没的立方体

将体积为2.0cm3的立方体完全浸没在水中。立方体经历的浮力是什么?

  • 我们知道F=r
  • r=水密度=1000 kg/m3
  • g=重力加速度=9.8 m/s2
  • V=立方体体积=2.0 cm3=2.0*10-6m3
  • 因此,F=1000 kg/m3*(9.8 m/s2)*2.0*10-6 m3=2.0196>2
  • g=2.0 cm2.0 cm3=2.0*10-10-6-6 m3(kg*m)/s2=.0196牛顿。

来源

  • 比略,大卫。“事实还是小说?:阿基米德创造了'尤里卡'一词!“在洗澡里”。Scientific American,2006,https://www.scientificamerian.com/article/fact-or-fiction-archimede/。关于疫情健康知识
  • “密度,温度和盐度”。夏威夷大学,https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluiderth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity。
  • Rorres,Chris。“金冠:简介。”纽约州立大学,https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html。