浮力的奇迹(上)

时间:2018-12-14 10:32:54

  旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...  一片树叶落在池塘里,就会像小船一样在水面上飘来荡去

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  旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

  一片树叶落在池塘里,就会像小船一样在水面上飘来荡去。但是,当你把一块小石头扔进池塘,它却会沉到水底。这究竟是什么原因呢?我们听到的答案往往是:“这太简单了!因为石头比树叶重多了。”

  但是这个答案很容易反驳。因为一根小铁针扔进水里都要沉到水底,而同样用钢铁制成的万吨巨轮,却能乘风破浪,横渡大洋……于是,便有了新的解释:因为水有浮力。

  我们不妨再做一个简单的实验:找一杆秤、一根绳子和一块小石头,将小石头悬挂在秤钩上。提住秤纽,移动秤砣,称一下小石头有多重。再拿一杯水,让挂在秤钩上的小石头浸到水里,但不要碰到杯底。这时,你可以看到,有秤钩的一头翘了起来,挂秤砣的一头往下坠了。这表明小石头浸到水里后,就变轻了。我们只要移动一下秤砣,就很容易算出小石头在水里的重量,而这减轻的部分,就是小石头在水里受到的浮力。由于小石头受到的浮力明显小于其重量,托不住小石头,小石头自然就只能沉到水底。而树叶受到的浮力刚好和它的重量相等,所以就能浮在水面上。小铁针与万吨巨轮在水中的沉浮也是同样的道理。这就奇怪了:为什么水的浮力有时候力大无穷,有时候又如此微不足道呢?这就要从一个古老的传说讲起……

  公元前3世纪,阿基米德刚从埃及的亚里山大里亚回到自己的故乡——西西里岛上的叙拉古,就接到了他的亲戚、国王艾希罗下达的一个紧急任务。原来为欢度一年一度的盛大祭神节,艾希罗交给匠一块纯金,订制了一顶非常精巧、华丽的王冠。金匠不但用脑袋担保王冠绝未掺假,而且他当场用秤测定王冠与原金块重量相等。但在场的一位大臣指出,如果黄金中掺入了银子,重量同样可以不变。

  国王感到此话有理,于是请阿基米德裁决。这本来并非难题,因为每种纯物质都有固定的比重。所谓比重,就是该物质的重量与同体积水的重量比值。但是要计算王冠的比重,必须先要知道王冠的体积。但王冠并不是一块方方正正的金砖,形状既不规则,上面又雕满了凹凸不平的花纹,而国王又舍不得把王冠掰开来看一看。阿基米德虽然精通数学,却一时也找不出计算王冠体积的公式……

  阿基米德辞别国王后,几天里就像痴了一样不吃不喝。朋友们看他这样下去身体会吃不消,就劝他洗个澡,提提神。

  于是,阿基米德去了一家豪华的公共澡堂。但即便他坐进盛满水的澡盆时,也还在继续想那个难题。此刻,一些水因他的进入从盆边溢了出来,他感到自己的身子忽然轻了很多。他眼前一亮,猛地从澡盆里跳了起来,忘了穿衣就直接冲出澡堂,在大街上一边裸奔,一边大喊:“攸勒加!攸勒加!”

  “攸勒加”是“我知道了”的意思。阿基米德知道了什么呢?科学史上虽然记载得比较模糊,但大致可作这样的推断,他从浴缸溢出水的体积,与自己身体投入水中的体积大致相等这一现象,产生了以下的联想:只要先把王冠称一下有多少重,再把王冠放在盛满水的盆里,称一下从里溢出来的水有多少重,最后将王冠的重量与溢出来的水的重量一比,就可算出王冠的比重来。

  于是,阿基米德找到国王,命人拿出一只小盆子,盆里装满了水,然后把它放进一只大盆子里。阿基米德首先将王冠放进小水盆里,沉没后溢出的水淌在大盆子里,然后细心地将溢出的水收集在一只杯子中。接着,阿基米德将一块与王冠重量相等的纯黄金,按上述程序同样操作,并请国王把收集在两只杯子里的水量做个比较。大家一眼便知前一只杯子里水多,后一只杯子里水少。这说明王冠虽然与那块纯金的重量相等,但体积比纯黄金大,或者说比重小于纯黄金。因而,王冠的黄金成分不纯已然是公论。

  耐人寻味的是,若干年以后,有一个老妇人上门拜访阿基米德,她拿出一个黄金做的圆球请他鉴定其纯度。阿基米德仍用排水法测定体积,结果他以比重为参照,作出了金球被掺进了其他成分的推断。听到这个结论后,老妇人气愤地将金球一切为二,发现竟是空心的。原来老妇人就是那位做王冠工匠的母亲,她为了替儿子伸冤故意为之。显然当年阿基米德疏忽了王冠上无数金饰中有许多是空心的这个事实。

  不论这个传说真实性如何,却表明运用阿基米德排水法直接测定某种物质的比重,必须同时满足两个条件:该物质既是实心的,又必须全部没入水中。但是物体在水中受到的浮力,等于它所排开的同体积水重——这条被尊称为“阿基米德浮力原理”的定律,却是完全正确的。这条定律后被他写入羊皮纸质的专著《浮体论》中。这本十分珍贵的手稿直到2000多年后,才在耶路撒冷图书馆被人们发现……

  实际上,根据古籍《墨经》的记载,早在2500年前,我国先人已经掌握了浮力的基本原理。北宋治平三年(公元1066年),怀丙和尚利用浮力打捞铁牛的故事已在坊间传为佳话。

  那一年黄河发大水,淹没了庄稼、冲毁了房屋,还冲垮了河中府(今山西永济县)的一座浮桥。为了固定浮桥,官府在河的两岸各放了2只大铁牛,拴浮桥的铁链就系在两岸的这4只铁牛身上。每只铁牛虽然重达万斤,但这次水势实在凶猛,不但浮桥被冲垮了,4只铁牛也陷到河底的淤泥中去了。由于这座浮桥是连接山西、河南和陕西三省的枢纽,十分重要,因而洪水刚退,官府就立即着手重建。别的都好办,就是如何打捞铁牛成了一个十分棘手的问题。于是,官府贴出了招贤榜,重金悬赏打捞者,观者虽多,但无人敢去尝试。最后揭榜者竟是一名法号“怀丙”的和尚。他的打捞方法如下:首先派几个熟悉水性的人潜入河底,摸准铁牛的沉没位置。接着,把两艘很大的木船并排拴在一起,并在船上装满泥沙。两艘木船之间,还用很结实的木料搭了一个架子,然后将其停泊在铁牛沉没的地方。他让人把铁索的一端拴在两船之间的木架上,另一端则拴在铁牛上。这一切准备妥当后,怀丙和尚命人把船上的泥沙一铲一铲向河里扔,两艘大木船随着泥沙的减少不断往上浮。几个小时之后,铁牛终于从淤泥中被拔了出来,岸上百姓一片欢呼……

  怀丙和尚实际上就是运用了浮力原理。当两艘木船装满万斤泥沙时,木船的浮力等于船和泥沙重量之和,所以吃水很深。而当泥沙不断减少时,木船的浮力开始增加,这一部分多余的浮力就将铁索往上紧拉,最后木船浮力超过了铁牛在水中的重量时,铁牛就被拽出了淤泥,露出水面。

  转眼800年过去了,到了清朝道光年间,朝廷向国外购置了一批武器。其中一艘载着一尊2000多斤大炮的大木船,行驶到温州附近海面上时突遇强台风,连船带炮一起沉入海底。

  这时,水手任昭材自告奋勇地站了出来。他带领8艘木船来到沉船的海面上,又将每两艘船拴在一起,其中一艘装满了石子,另一艘则是空的,船中间还铺设了木板。任昭材亲自潜入海底,把4根绳索拴在沉船的船头,另外4根则拴在沉船的船尾。这8根绳索的另一端,则分别拴在8艘木船上。

  然后,任昭材命人把船上的石子,一担又一担地挑到空船上。随着石子的逐渐减少,4艘原本吃水很深的石子船渐渐往上浮。4根拴在船上的绳子都绷得紧紧的,沉船自然渐渐被往上拉。

  再看4艘空船的情况,它们原来吃水很浅,石子一担又一担往上挑后,就渐渐下沉。等到石子全部挑过来后,任昭材又命人把这些船上的绳子收紧,接着再叫人把石子一担又一担挑回原先盛石头的船。随着这4艘木船石头的减少,它们又渐渐上浮,进一步把沉船往上拉。

  木船上的石子每倒腾一回,沉船就被拉高一点,这样连续倒腾十多个来回后,装着大炮的沉船终于浮出了水面。显然,任昭材与怀丙和尚一样,都是利用了水的浮力。但任昭材运用8艘船4个组合连续操作,既克服了沉船与淤泥之间的摩擦力,又克服了船体本身的重力,因而比怀丙和尚“单打一”的方法更巧妙,效率也高许多。

  在现代打捞沉船的方法中,有一种与怀丙和尚、任昭材使用的方法相似,这就是“浮筒打捞法”。例如1916年,俄国的“萨特阔号”破冰船,由于船长的重大操作失误而沉入海底,并整整“沉睡”了17年。

  1933年,苏联组织的“水下特工队”派出潜水员,在船体沉没的海底掘了12条沟道,并在每条沟道内穿过一条结实的钢带。钢带的两头分别固定在特意沉到破冰船两旁的浮筒上。所谓浮筒,实际上是一种不会漏气的结实的空铁筒。这些浮筒长11米,直径5.5米,重达50吨,体积约250立方米。每个浮筒浸泡在水中时,会产生250吨的浮力,因而必须灌满海水,才能让它沉到海底。当12条钢带都固定在浮筒上后,潜水员就开始将4个大气压的压缩空气打入浮筒内,将海水排出。随着4个浮筒浮力的增加,最终总浮力达到了4800吨,超过了“萨特阔号”破冰船在海水中的重量。终于,这个庞然大物被拽出海面……


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