阿基米德原理

阿基米德原理

流體靜力學的一個重要原理,它指出,浸入靜止流體中的物體受到一個浮力,其大小等於該物體所排開的流體重量,方向垂直向上並通過所排開流體的形心。這結論是阿基米德首先提出的,故稱阿基米德原理。結論對部分浸入液體中的物體同樣是正確的。同一結論還可以推廣到氣體。

基本信息

定義

圖
浸入靜止流體(氣體或液體)中的物體受到一個浮力,其大小等於該物體所排開的流體重量,方向垂直向上並通過所排開流體的形心。

歷史

阿基米德發現的浮力原理,奠定了流體靜力學的基礎。傳說希倫王召見阿基米德,讓他鑑定純金王冠是否摻假。他冥思苦想多日,在跨進澡盆洗澡時,從看見水面上升得到啟示,作出了關於浮體問題的重大發現,並通過王冠排出的水量解決了國王的疑問。在著名的《論浮體》一書中,他按照各種固體的形狀和比重的變化來確定其浮於水中的位置,並且詳細闡述和總結了後來聞名於世的阿基米德原理:放在液體中的物體受到向上的浮力,其大小等於物體所排開的液體重量。從此使人們對物體的沉浮有了科學的認識。

適用範圍

阿基米德原理適用於全部或部分浸入靜止流體的物體,要求物體下表面必須與流體接觸。
如果物體的下表面並未全部同流體接觸,例如,被水浸沒的橋墩、插入海底的沉船、打入湖底的樁子等,在這類情況下,此時水的作用力並不等於原理中所規定的力。
如果水相對於物體有明顯的流動,此原理也不適用(見伯努利方程)。魚在水中遊動,由於周圍的水受到擾動,用阿基米德原理算出的力只是部分值。這些情形要考慮流體動力學的效應。水翼船受到遠大於浮力的舉力就是動力學效應,所循規律與靜力學有所不同。

套用實例

氣球

阿基米德原理可用於解釋氣球的上升機理:充滿輕氣體的氣球的自重小於它所排開的空氣的重量(浮力)。

液體比重計

對部分浸入液體的比重計,它所受到的浮力:F=W=γV。
式中W為比重計的重量,V為浸入液體的體積;γ為液體的比重。若已知W和V,可確定比重γ。

排水量

Vmax=m船/ρ水
由ρ=1,得Vmax=m船/1
簡寫:V=m
即體積常數等於質量常數。合稱排水量。

積雲對流

阿基米德靜浮力可使積雲對流得以發展,在穩定層結大氣中可以產生重力內波。

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