浮力这个词的意思就是漂浮的能力。无论什么时候,只要物体的重量与流体向上推它的力相等,都会产生浮力,在流体表面的上边和下边都能产生浮力。将一块木头放到水中,因为重力它会下沉,直到水对它的浮力与它的重量相等为止。当木头的重量与水对它的浮力相等时,木头就会漂浮。为什么一小块钢铁会下沉,而一艘5万吨的钢制的船却能漂浮?
为了保持漂浮,船必须排开与它自身重量相同的流体。因此,如果一块钢铁被放到水中,它会下沉,因为它的体积不允许它排开与它自身重量相等数量的水。在这一事例中,没有办法能让水提供足够大的向上的力来保持铁块漂浮。一艘5万吨的钢船只要能排开5万吨的水,它就能很容易地保持漂浮。这一点可以通过加宽船身、增加船的体积来实现。漂浮通常是指在像水这样的液体中,任何事物都能在气体中飘浮吗?
在液体(比如水)或者气体(比如空气)中存在压力差异时产生浮力。一个低压热气球能够上升直到气球加上篮子的重量与气球内空气的浮力相等。公元前3世纪,当阿基米德跨进一个澡盆时,他有了什么重大发现?当阿基米德跨进一个装满水的浴盆时,令他惊奇的是,浴盆中的水位升高了。当然,当阿基米德坐进浴盆时水位升高这样的事并不是第一次发生,但这是他第一次思考出现这种现象的原因。接着他又用金冠和银冠进行这个实验,他把它们放到浴盆中,然后测量从浴盆中溢出的水量。
传说在他的伟大实验结束后,阿基米德在他的家乡西西里岛锡拉库扎到处奔跑,一边跑还一边大喊:“我发现了!”阿基米德发现了一个流体静力学(静止液体)的定律,人们后来用他的名字将这个定律命名为阿基米德定律。这个定律阐明,将一个物体放到流体中时,会产生一个与物体排开的流体的重量相等的浮力。
当船上增加了乘客和货物时,船的浮力会发生什么变化?造船的人必须始终考虑当船上增加乘客和货物时,船的漂浮水平问题。增加乘客和货物,就增加了船的重量。只要船加上船容量的总重量低于船排开的水的重量,船就会漂浮。当船加上船容量的总重量超过船排开的水的重量时,船就会下沉。为了保证船的航行和灵活性,因增加乘客和货物而引起船在水中下沉的深度是非常关键的。
大型的货轮和游轮在船头都有船沉入水中多少深度的数字。如果船吃水量达到20英尺(0.6米)而水深只有18英尺(0.55米),就必须卸下货物和乘客使船上浮。一艘船达到漂浮状态需要多少水?船为了保持漂浮并不需要太多的水,而是需要排开足够多的与它自身重量相等的水。
因此,如果一艘船驶入一条只比船体宽一点儿的水道,只要船航行时水道的水是平静的,那么在船体的周围只要有一层薄薄的水,船就能很好地漂浮。河马是怎么沉入河床底部的?河马的一生有一半的时间是在水中度过的。为了进食,身长几乎达到10英尺(3米),体重将近1万磅的河马必须沉到水底去吃生长在河床底部的植物。
可是河马面临一个主要的问题:它的低密度迫使它漂浮在水面,它也不够灵活去快速地潜入水底再回到水面。为了到达河底,河马必须增大自己的密度,以便浮力不能提供足够的力使它漂浮。为了做到这一点,河马呼气来减少体内的空气,以便增加身体的密度。
一旦河马沉到河底,它就能吃到植物;可是它不能靠吸气来浮出水面了,因此,替代的方法是,河马走上河岸或者用力蹬河底从而向上弹起并再次浮出水面。古德伊尔软式飞艇是怎样保持在特定高度上的?古德伊尔软式飞艇,就技术而言,或者应该叫做“飞船”,它是一艘软式飞船,仅仅依靠巨大的、像气球一样的气囊中有浮力的气体使它飘浮在空中。通常它携带5000立方米的氦气,氦气的密度比空气小7倍。
飞船飘浮在空中的方式与船漂浮在水中的方式是一样的。飞船的重量必须与气囊中气体的浮力相等。为了使飞船升高,飞行员通过增压舱向飞船添加空气来增加飞船的浮力,这使漂浮气囊膨胀,排开更重的空气来增加浮力。为了使飞船下降,通过释放飘浮气囊中的气体来减小浮力,释放气体后,气囊的体积会减小,排开的空气的重量也会减小。
为什么在飞船中使用氦气而不用氢气?氢气不是更有浮力吗?虽然氢气的浮力是氦气的两倍,能更有效地使飞船飞离地面,但氢气是非常危险的。实际上,德国曾经拥有的兴登堡飞船是当时世界上最大的飞船,1937年5月6日,在美国新泽西州的莱克赫斯特试图降落时爆出一个巨大的火球导致飞船损毁。这次爆炸造成36人死亡。
在1937年,美国差不多是世界上氦气的唯一来源,大部分来自得克萨斯州的一口天然气井。纳粹想为他们的齐柏林飞艇购买氦气,但是美国拒绝卖给他们-因为氦气被认为是“战略”资源。飞船被用来做什么?从1852年第一艘飞船在法国由亨利·吉法尔(Henry Giffard)驾驶飞行以来,飞船或飞艇主要被用于军事用途。在19世纪早期到中期,飞船被用来在大西洋两岸投弹轰炸和监视。
飞船用来进行商业性的乘客运输只有几年时间,而当代的像古德伊尔这样的新式飞船通常被用来做广告或者在高空拍摄体育赛事。如果一个孩子放开手中的氦气球,它会怎么样?如果这个气球被系得很紧,当它飞到高空时体积会膨胀。这种膨胀是高空比较低的大气压造成的。最后,氦气的体积增加到足够大会使气球破裂,氦气会与外边的空气混合到一起。