浮力定律(流体静力学原理)

浮力定律,是流体静力学的一个重要原理,它指出,浸入静止流体中的物体受到一个浮力,其大小等于该物体所排开的流体重量,方向垂直向上并通过所排开流体的形心。这结论是阿基米德首先提出的,故称阿基米德原理。结论对部分浸入液体中的物体同样是正确的。同一结论还可以推广到气体。

浮力定律(流体静力学原理)

定义

阿基米德定律(即浮力定律)指出:浸在液体里的物体,受到向上的浮力,浮力的大小等于物体排开液体的重量。

历史

相传叙拉古赫农王让工匠替他做了一顶纯金的王冠。做好之后,国王想要检验这顶王冠是不是真的纯金,这个问题难倒了国王和诸位大臣。经一大臣建议,国王请来阿基米德来检验皇冠。

最初阿基米德也不知道应该如何检验。直到有一天,他在家洗澡,当他坐进澡盆里时,看到水往外溢,突然想到可以用测定固体在水中排水量的办法,来确定金冠的体积。他兴奋地跳出澡盆,连衣服都顾不得穿上就跑了出去,大声喊着“尤里卡!尤里卡!”(epnka,意思是“找到了”。)

他经过了进一步的实验以后,便来到了王宫,他将王冠和同等重量的纯金放在盛满水的两个盆里,结果发现放王冠的盆里溢出来的水比另一盆多。这就说明王冠的体积比相同重量的纯金的体积大,密度不相同,所以证明了王冠里掺进了其他金属。

这次试验的意义远远大过查出金匠欺骗国王,阿基米德从中发现了浮力定律(阿基米德原理):物体在液体中所获得的浮力,等于它所排出液体的重量。(即广为人知的排水法)

适用范围

阿基米德原理适用于全部或部分浸入静止流体的物体,要求物体下表面必须与流体接触。

如果物体的下表面并未全部同流体接触,例如,被水浸没的桥墩、插入海底的沉船、打入湖底的桩子等,在这类情况下,此时水的作用力并不等于原理中所规定的力。

如果水相对于物体有明显的流动,此原理也不适用(见伯努利方程)。鱼在水中游动,由于周围的水受到扰动,用阿基米德原理算出的力只是部分值。这些情形要考虑流体动力学的效应。水翼船受到远大于浮力的举力就是动力学效应,所循规律与静力学有所不同。

应用实例

气球

阿基米德原理可用于解释气球的上升机理:充满轻气体的气球的自重小于它所排开的空气的重量(浮力)。

液体比重计

对部分浸入液体的比重计,它所受到的浮力:F=W=γV。

式中W为比重计的重量,V为浸入液体的体积;γ为液体的比重。若已知W和V,可确定比重γ

排水量

Vmax=m船/ρ水

由ρ=1,得Vmax=m船/1

简写:V=m

即体积常数等于质量常数。合称排水量。

积云对流

阿基米德静浮力可使积云对流得以发展,在稳定层结大气中可以产生重力内波。

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