若比较一下在海水里与后院的游泳池中漂浮,你便会知道二者是有区别的。懒洋洋地浮在海水中是一件很容易的事儿,而且没有膝盖下沉的烦恼。
物体沉入水底和从空中落下是同样地原因——引力。引力是一个物体对另一个物体的吸引力。物体的密度越大,它受到的引力拉力越大。像地球这么重的物体,有足够大的引力让棒球从空中落下来,或使石头沉入湖水中。
因此,一个物体漂浮而不是下沉,是因为液体向上托着它,它受到一个与重力方向相反的力。古希腊科学家阿基米德总结了这种现象:液体中物体受到向上的浮力等于物体排开的液体的重量。
无论如何球都会漂浮起来。
不过,物体是上浮还是下沉,取决于它是否排开足够多的水来支撑自身的重量。因此,当物体漂浮的时候,这大部分原因在于密度——在特定的容积里放入了多少东西。
若固体密度比排开水的密度大,固体将会下沉。铁煎锅比相同体积的水密度大、重量重。所以,把它扔到湖中的时候,铁煎锅受到引力的拉动,会径直沉到湖底。
相反,若物体的密度小于水,例如充气的海滨球,物体将会漂浮。海滨球是一层薄薄的有弹性的橡胶皮,里面包裹着一层稀薄的空气。而与海滨球同体积的水,密度和重量都比真实的海滨球要大。海滨球不仅仅是漂浮在水面上,而且人们还要花费9磅的力把1加仑体积大的海滨球按到水里。
不过,即使那些平均密度大于水的物体(最终下沉),也受到向上的浮力。一块下沉的石头,也受到向上的浮力,因此石头的重量在水下比在陆地上轻。
液体密度越大,浮力越大。比如,一块固体铁能够在密度更大的液体汞中更好地漂浮着。
我们再来看看盐。若你把盐加入一定容积的水里,便混合成了一种密度较大的液体。1立方英尺的淡水重量大约是62.4英镑。所以,一个在水中下沉的物体,可能在盐水中漂浮。美国犹他州的大盐湖咸度是海洋的12~25倍,大多数人毫不费力地在湖面上漂浮。最棘手的是潜入水中。
你可以自己研究一下,多咸的水让物体能够更容易地浮起:盛大约半杯子自来水,然后温柔地将一个鸡蛋放入杯子中,看着鸡蛋下沉,因为它的密度比水大。现在放入水中一些盐进行搅拌。持续不断地加盐,一次大约放一大汤匙,直到鸡蛋从杯子底部升起漂浮起来。
你的旅游船是如何漂浮在海上的?
若手机从旅游船的船舷上掉下去,你只能眼睁睁地看着它慢慢沉入水底。而此时,装满人的旅游船却好端端地漂浮着。你也许会想:是什么东西让船漂浮着?
我们知道海滨球是如何漂浮的,然而旅游船和客轮是由数千吨重的钢铁制造而成的。钢铁的密度比水大,为什么船还会漂浮着呢?其中的秘密是:金属只是船的外壳,船不是实在的固体铁块。实际上,构成这个容积巨大的船的主要物质是困在其中的空气(想象一只船型的海滨球,支架是钢铁制成的)。因此,若船漂浮在水中的时候,整个船的密度实际上是没有它排开的水的密度大。
最大的外洋轮船排水量多于80000吨。根据阿基米德原理,漂浮在水中的物体受到的向上浮力等于排开水的重量。1吨水重2000磅,这意味着最大的客轮受到1亿磅向上的浮力。