例谈浮力产生的原因

孙华山

一、浮力产生的原因

浮力产生的原因是液体（气体）对物体向上和向下的压力之差.假如一个正方体浸没在水中，如图1，它的前后、左右、上下六个面都受到水的压力.它的前后、左右四个面处在相同的深度，由F=pS=ρ液ghS可知，前后两个侧面、左右两个侧面受到的压力大小相等，方向相反，互相平衡；而上下两个面所处的深度不同，物体上表面所受水的向下压强为p1=ρ液gh1，物体下表面所受水的向上压强为p2=ρ液gh2，其中h2>h1，所以p2>p1，由F=pS可知，下表面受到向上的压力比上表面受到向下的压力大，即F2>F1.这个压力差就是液体对物体的浮力.也就是说，浮力就是浸入液体中的物体所受到的液体压力的合力F浮=F向上-F向下，浮力的方向就是F向上与F向下的合力的方向，它总是竖直向上的.

例1 如图1所示，边长为10cm的正方体，将它全部浸没在水中，上表面距水面2cm，求物体受到的浮力.

解析 根据浮力产生的原因可知：

F浮=F向上-F向下=F2-F1，

F1=p上S=ρ水gh1S，

F2=p下S=ρ水gh2S，

所以F浮=F2-F1=ρ水gS（h2-h1）=ρ水gSL

=1.0×103kg/m3×9.8N/kg×（0.1m）2×0.1m

=9.8N.

例2 如图2所示，一个圆台形物体放入液体中，该物体所受到的浮力

（=/）下表面受到向上的压力F2与上表面受到向下的压力F1之差.

解析 以上结论是通过对正方体分析得到的，计算式F浮=F2-F1只适用于上下表面一样的物体，但对于如图2这样的物体：F浮

二、物体与容器的内面“密合”问题

解析 浸在液体里的物体，如果全部或部分接触面和容器内面密合，这种情况物体的部分面积上不受水的压力.本题乒乓球在水中能否浮起来，应从两个方面考虑：一是乒乓球在水中是否受到浮力，其二是乒乓球受到的浮力与其重力的大小关系.甲图中乒乓球的上半部分在水里受到水向下的压力，但由于乒乓球下半部分不在水里，乒乓球也就没有受到水向上的压力，因此乒乓球没有受到浮力的作用，乒乓球就浮不起来；乙图中，由于乒乓球的下表面受到水对它向上的压力，即水对乒乓球有浮力的作用，并且浮力大于乒乓球的重力，使乒乓球向上运动直到浮出水面，漂浮在水面上.

这种物体底部不受水的压力，使物体不受浮力的作用现象，生活中还有“木桩”“桥墩”等.此类现象不能运用阿基米德原理来计算浮力.因为它不符合阿基米德原理的适用范围——物体浸在液体中时，浸入部分必须和液体全部接触的.

这一解法是错的，在于没有考虑浮力产生的原因.

液体或气体对浸入其中的物体产生向上的压力与向下的压力差是浮力产生的原因，木桩钉入泥土中，底部没有受到水对它向上的压力，故木桩没有受到浮力的作用，因此浮力为零.虽然木桩也排开了水，但不能用阿基米德原理来计算浮力.

当船沉入海底时就属于这种情况，一般船体离海面距离较大，且船底陷入海底泥沙中，相当于“与容器底紧密接触”，故打捞沉船时，不仅要克服船体的重力，还要克服海水对它的向下压力，而且往往海水对它的向下压力远大于船的重力，技术上困难较大.学习浮力知识后，你能否设计出几种打捞沉船的方案呢？