阿基米德定律(Archimedes' law)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,方向竖直向上并通过所排开流体的形心。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。是 古希腊 学者阿基米德总结出的一条定律。
传说希伦王召见阿基米德,让他鉴定纯金王冠是否掺假。他冥思苦想多日,在跨进澡盆洗澡时,从看见水面上升得到启示,作出了关于浮体问题的重大发现,并通过王冠排出的水量解决了国王的疑问。 人们为了纪念阿基米德,叫这条定律为“阿基米德定律”。
阿基米德定律公式及其推导的数学表达式是: , 阿基米德定律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,适用于液体,也适用于气体。 阿基米德定律的发现奠定了 流体静力学 的基础。
定义
阿基米德定律定义是:浸在液体中的物体都受到向上的浮力,而浮力的大小与它排开液体的重量是 相等 的。浮在液面上的物体受到的浮力(亦即它排开液体的重量)总是与它的重量相等:重量增加(例如乘客上船或装货),它就会自动下沉一些,多排开些液体,以增加浮力;重量减少(如乘客下船或卸货),它会自动上浮一些,少排开些液体,减少浮力,从而自动维持平衡。这正是浮体的自然属性,是由阿基米德定律所揭示的。 其数学表达式为 。
简史
公元前250年,古希腊叙拉古斯国的国王希罗给珠宝工匠—锭称过重量的金子,叫他制作一顶皇冠。皇冠制成后,因为王冠的成色较淡,国王希罗怀疑珠宝工匠盗去了部分黄金而掺进了等量的白银,于是,委托宫廷科学家 阿基米德 想出办法,查出这桩舞案。
阿基米德苦思无果,一次洗澡时,他发现水溢出,猜想溢出水量的体积等于浸入水中的体积。这个发现令他兴奋不已,未及穿衣便奔向皇宫,高呼:“尤里卡! 尤里卡 !”。从此,这句话成为科学大发现的标志。通过测量 王冠 的体积和纯金的体积,阿基米德证明了工匠确实掺入了银。阿基米德经过实验,证实了他的想法:溢出水量的体积确实等于物体浸入水中的体积。只需将王冠 浸入 水中,通过溢出水量的体积,即可计算出王冠的体积。然后与等体积的纯金体积进行比较,便可判断王冠是否由纯金制成。如果 王冠中 掺入了银,验证过程将更为复杂。最终,“ 皇冠 ”被证实是由银 和金 混合制成,工匠因此被 希罗 王处以死刑。
适用条件
阿基米德定律的适用条件,即:物体在液体中受到的 浮力 在数值上等于物体排开液体的重力,只适用于物体静止或匀速 直线运动 的情况。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)。如果物体在液体中加速下沉或加速上浮,则所受浮力将增大或减小。在理想情况下,设物体在液体中加速上浮(或下沉)时,有同体积的液体向相反方向作加速运动,则物体所受浮力 ,亦可证得此时物体加速度为: ,式中 为物体密度, 为液体密度, 为 物体静止时所受 浮力 , 为 重力加速度 。
应用
船舶
为了使密度大于水的材料制成的物体能浮在水面上,可以将其做成空心的,以增大排水体积,降低物体的平均密度。通过这种方式, 轮船 可以漂浮在水面上。当轮船满载货物时,吃水深度更大,即下沉更深。轮船的载重能力由排水量表示,即满载货物时排开水的质量。排水量大的轮船具有更强的载货能力。例如,一艘排水量为1×10⁴t的轮船,其自身质量与最大载货重量的和为1×10⁴t。当 泰坦尼克号 撞到冰山后,船体内进水,其平均密度增大,最终当重力大于 浮力 时,它开始下沉。冰块可以浮在水面上是因为冰的密度与水相差不大,但冰的密度略小于水。因此,漂浮的冰块只有一小部分露出水面,对船舶造成较大危险。
潜水艇
潜水艇 通过调整自身的重量来实现上下运动。它有多个平衡水舱,当潜水艇需要下潜时,会往这些水舱中 注水 ,增加总质量,使其大于排水量,从而潜入水中。要上浮时,则会排出水,降低总质量,使其小于排水量,从而实现上浮。
鱼类的活动
鱼类的活动可以通过阿基米德定律和物体的 浮沉 条件来解释。鱼类有一个气囊,可以膨胀或收缩。当鱼膨胀气囊时,排开更多的水,增大 浮力 ,当浮力大于重力时,鱼就能向上游动。相反,当鱼要向下游动时,它会缩小气囊,使 浮力 小于重力。
密度计
当 密度计 浸入 不同液体时,尽管浸入深度不同,但受到的浮力是恒定的。根据 阿基米德原理 ,这个浮力等于密度计排开的液体的重力。由于液体的密度越小,密度计浸入液体的深度越深,排开的液体体积也越大。因此,密度计的读数是上小下大。
热气球
热气球内部加热的是密度小于空气的气体。在地面时,通过增大体积来增大浮力,当浮力大于自身重力时,热气球升空。升空后, 浮力 保持不变。气球内气体会 热胀冷缩 ,通过控制气体温度来调节重力,从而实现升降。