浮力

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引言

浮力是浸沒在流體中的物體所受到的向上力。流體可以是水、其他液體，甚至是氣體，只要它不能完全滲透到固體物體中即可。作用在物體上的這個向上力被稱為浮力，可以使用阿基米德原理計算，該原理指出，被排開的流體（液體或氣體）的重量等於浸沒在其中的物體體積的重量。

材料密度越大，例如鉛或金，其對浮力的反作用力就越大。如果您將一塊石頭和一個充氣的氣球以相同的深度放入水中，兩者都會下沉，因為它們的重量相同。但是，由於空氣的密度小於水，它產生的反作用力小於石頭。這意味著即使含有大量空氣的物體的總重量大於其他含有較少空氣的物體的重量，它也可以漂浮在液體頂部。例如，當船隻沉入水中時，它會排開足夠多的周圍流體，使其總體密度小於海水密度。然後，船會浮回水面，直到再次排開足夠的海水以產生對抗重力的反作用力。

浮力

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當物體完全或部分浸沒在流體中時，它會受到向上的力。這是由於重力同時作用於水的質量和體積造成的；因此，它可以用數學表示式表示為

$$\mathrm{F\:=\:\rho Vg}$$

其中$\rho$表示水的密度，g表示重力加速度。

浮力的量級取決於兩個因素：

• 物體排開的流體量（即，體積），

• 液體和固體物體密度之間的差異（即，相對密度）。

例如，如果您將一塊石頭放入水中，它會下沉，因為它的質量大於該石頭排開的水的體積。但是，如果您將同一塊石頭放入蜂蜜中，它會漂浮，因為它的質量小於該石頭排開的蜂蜜的體積。

阿基米德原理

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阿基米德原理是一條物理定律，它指出任何完全或部分浸沒在靜止流體（液體或氣體）中的物體都會受到一個向上的推力，該推力等於物體排開流體的重量。該原理解釋了為什麼船會漂浮以及為什麼飛機能夠飛行。它也適用於除水（例如蜂蜜）或空氣以外的其他液體或氣體中的浮力和沉沒。

該原理可以確定物體在特定情況下是漂浮還是下沉。只要它的密度小於水，它就會漂浮在頂部；如果它的密度大於水（密度更大），它就會下沉。

阿基米德原理與浮力的關係

阿基米德原理與物體如何在水上漂浮有關。這條浮力定律可以表述為：任何完全或部分浸沒在流體中的物體都會受到一個向上的力，該力等於該物體排開流體的重量。如果您曾經被困在流沙中或觀察過您的貓試圖從浴水中出來，那麼您就親眼目睹了阿基米德原理的作用。

浮力的原因

浮力是由壓力差引起的。物體漂浮的壓力取決於其相對於水的密度。如果物體的密度大於水，它就會下沉；如果小於水，它就會漂浮。

例如，鋼的密度為7.85 g/cm³（0.284 lb/in3），而水的密度為1 g/cm³（1 lb/ft3）。因此，鋼會沉入水中，不會受到浮力。另一方面，木材的密度為0.5 g/cm³（1.92 lb/ft3），因此它會漂浮在水上並受到浮力。重量超過其浸沒其中的液體的重量的物體往往會下沉，因為作用在其上的向下力大於液體向上力。這種不平衡產生了我們所說的浮力：來自下方的向上壓力平衡來自上方的向下壓力。

浮力的應用

熱氣球

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熱氣球（或僅僅是熱氣球）是一種比空氣輕的飛行器，它懸浮並由內部熱源上升的暖氣推動。氣球外殼透過包含上升的加熱浮升氣流來保持其內容物比外部冷空氣更溫暖，該氣流即使在外部壓力降低的情況下也能保持其溫度和體積。可以透過使用機載燃燒器推進的熱氣球被正確地稱為熱空氣飛艇。

潛艇

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潛艇利用浮力來排出其船體內的水並改變自身的密度，從而在水中上下移動。這就是為什麼潛艇通常被稱為潛水器的原因：它們可以透過向壓載艙注滿海水來潛入海平面以下。

常見問題

Q1. 浮力有哪三種類型？

答：中性浮力：既不下沉也不漂浮

正浮力：漂浮在水面上

負浮力：沉在水底

Q2. 浮力和密度有什麼關係？

答：它與流體的密度成正比。

Q3. 浮力的公式是什麼？

答：F_b表示浮力，V_f表示被排開的流體體積-

$$\mathrm{Fb\:=\:gp\:Vf}$$

Q4. 浮力是否取決於液體？

答：作用在浸沒在液體中的物體上的浮力僅取決於物體有多少體積位於水面之上，而與該物體部分排開的液體量無關。被排開液體的重量確實在決定總浮力方面發揮作用。

密度 = 質量/體積。

因此，在任何給定體積上的更大質量都會增加密度，從而透過增加相對於排開體積的重量來降低浮力。