新浮力原理

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  【摘要】若把浮力的概念广义化:浮力为液体对物体在竖直方向的合压力(即F浮=F合=F下-F上),规定竖直向上为正方向。导出一个新浮力原理:放置在液体中的物体,受到浮力的大小等于它排开的液体受到的重力减去以它底面与容器底相接触部分为底面积的液体柱受到的重力。用式子表示就是: F浮 = G排 - G柱上述原理对气体同样适应。
  【关键词】阿基米德原理;合压力 ;浮力;新浮力原理
  根据阿基米德原理,当物体漂浮或悬浮时,它受到的浮力(F浮)大小等于它排开液体所受到的重力(G排)大小,即F浮=G排;当物体下底面有一部分在水底(如桥墩)时,浮力还是F浮=G排吗?实验:找一个小气球(或轻质橡胶块),用手把它紧压在很光滑的容器底,然后往容器里注入水,使水面远高于它的上表面,再缓慢松开手,它将静止在容器底,而推一下后它便从水底升到水面。当气球静止在水底时,若用阿基米德原理来解释,显然解释不通。要说清这个问题,首先要弄清楚放在液体中的物体受到的浮力。下面是几种形状不同、放置不同的物体,在竖直方向受到水对它的合压力(F合)与水面的高度(h)的关系,详见图1~图5。
  从图1、图2中可知,当容器中水面高于物体下底面时,物体下底面受到竖直向上的压力F下,并随水面的升高而增大;当水面高于物体上表面时,物体上表面开始受到竖直向下的压力F上,但其合力(F合=F下-F上)始终不变,即浮力的大小不变,可用阿基米德原理进行计算:F浮=F合=G排(G排是物体排开的液体受到的重力)。
  从图3~5可知,当容器中的水面低于h1时,物体的上底面、下底面都没有和水直接接触,在竖直方向上,受到水对它的压力差 F合=F下-F上= G排- G柱=0(G柱是以物体与容器底相接部分的面积为底面积的水柱受到的重力)即合力为零。
  在图4~5中,当水面介于h1-h2时,F合=F下-F上= G排- G柱>0且随着水面的升高而增大。
  在图5中,当水面从h2升到 h3时,F合不变;当水面高于h3时,物体受到的合力反而减小;当水面升到一定值(即G排=G柱)时,F合变为零;水面继续升高,F合却变成负值。试想能用F浮=F合=F下-F上和阿基米德原理F浮=G排来计算浮力的大小吗?
  若把浮力的概念广义化:浮力为液体对物体在竖直方向的合压力(即F浮=F合=F下-F上),规定竖直向上为正方向。若F合>0,则浮力的方向为竖直向上;若F合<0,则浮力的方向为竖直向下的。设 V排=V柱+V'排 、G排=G柱+G'排 ,则有效排水量体积V'排=V排-V柱、重力G'排=G排-G柱,可推导出F浮= F合=F下-F上= G'排=G排- G柱 (V'排、G'排为有效排水量对应的体积、重力,V柱、G柱 是以物体的下底面与容器底接触的面积为底面积的水柱的体积、重力)。因此,导出一个新浮力原理:
  放置在液体中的物体,受到浮力的大小等于它排开的液体受到的重力减去以它底面与容器底相接触部分为底面积的液体柱受到的重力。用式子表示就是:
  F浮 = G排 - G柱
  上述原理对气体同样适应。
  综上所述,阿基米德原理(F浮=G排)只是新浮力原理的特例。当物体漂浮或悬浮时,下底全部和水接触(与容器底接触的面积为零),故V柱=0,G柱=0,F浮=G排-G柱=G排。根据新浮力原理解决桥墩问题,因G排=G柱,故浮力F浮=G排-G柱=0。
  新浮力原理的应用:桥墩若用轻质材料设计成‘空心倒圆锥型’可减少对桥基的压力;解释黄河象下沉之迷,当大象腹部陷于水底泥沙中时,上方水越深大象受到的浮力越大且方向是竖直向下的,故而越陷越深。红军过草地时损失惨重,战士们却无能为力。试想,把那些泥滩变成清水下边也没有泥,战士们能牺牲无数吗?
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