浮力原理在节能环保中的有效性探究

殷建丽，饶思梁

[摘 要] 党的“十九大”报告中明确要求坚持“人与自然和谐共生”，并将节约资源和保护环境定为基本国策。响应国家号召，探究浮力原理在生产生活中节能环保的有效性，利用氢气球对日常生产、生活提供清洁的节能措施，获得了良好的经济效益和社会效益，为节能环保、绿色发展提供了一条可行的道路。

[关 键 词] 浮力原理；节约能源；氢气球

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）08-0101-01

一、前言

目前，能源危机形势日益严峻，能源成了国家经济的命脉。地球上的能源主要为石油、煤、天然气，其中争夺最为激烈的当属石油资源。为了争夺能源，爆发过两次世界大战，波及六十多个国家。战后各国发展对石油等能源的需求不减反增，我国的能源形势更加严峻，为保障国家的能源供应，国家大力倡导节约能源，绿色发展的理念。

二、原理探究

其实，我们的祖先早就在运用浮力原理进行生产生活，例如“独木舟”，它是最古老的水上交通工具，是利用浮力原理进行运输的典型案例。

浮力指物体在流体（包括液体和气体）中，各表面受流体（液体和气体）压力的差（合力）。早在公元前245年，阿基米德就发现了浮力原理，并将浸在液体或气体里的物体受到液体或气体竖直向上的托力叫做浮力。

浮力的定义式如2.1所示：

F浮=G排； （2.1）

可用它推导出液体浮力公式，如2.2：

F浮=ρ液gV排； （2.2）

其中：ρ液为液体密度；g为重力与质量的比值，在粗略计算时，g可以取10 N/kg；

V排为排开液体的体积。

同时，液体的浮力也适用于气体，其公式为2.3：

F浮=ρ气gV排 （2.3）

显然，当物体上浮时，浮力大于物体的重力，当物体漂浮或悬浮时，浮力等于重力；但当物体处于下沉状态时，浮力小于重力。利用这一原理，我们可以将其运用到实际生产、生活中。

三、應用研究

根据浮力原理，我们可以考虑利用氢气球进行运输和举升重物，这样的话可以节约人力、物力，减少能源消耗，支撑国家能源政策。

（一）氢气球浮力作用在解放人力中的应用

目前，人们对氢气球的认知基本是儿童玩具或喜庆节日放飞以烘托节日气氛所用，而对解放或者减少人力方面没有做很好的探究，本文则以重庆为例，探究在该领域的应用。

重庆主城大气压强为100 kpa，可以看成1个标准大气压，按照浮力计算公式，假定在0 ℃，一个标准大气压下，普通氢气球按照体积为100 cm3

V=■πR3（R为气球半径） （2.4）

按浮力公式，氢气球的所受浮力就是：

F浮=ρ气gV排=1.29 N

假定在仅有浮力和重力的情况下，在空气中若保持气球静止，气球本身重量忽略不计，即令F浮=G物，即氢气球下悬挂重力为1.29 N的重物。

由G=mg，m=G/g=0.129 Kg，即普通氢气球下悬挂质量为0.129 Kg的重物，氢气球静止在空中，即持气球人不用花费任何气力即可持住气球。

同理，体积是1立方米的氢气球在空中受到的浮力：

F浮=12.9 N. m=G/g=1.29 Kg

反过来，若是一般人的耐力负重为50 Kg，若完全不花费任何力气的情况下，根据公式2.4，可以算出，需要半径为R=1.18 m的氢气球。

大家知道，传统的重庆山城人民习惯了用背篓背物品，沉重的背篓再加上极重的物品一般人很难承受，长期的过度劳作，会给人体造成极大的伤害。若在背篓上装上几个氢气球减重装置，会较大或部分减轻重物对人体的压力，一定程度上减少或缓解人身体的损害。一般直径R=0.3 m的气球，即能满足人们日常运输各种重物的需求，按重庆3000万人民，每天搬运20 Kg重物，走100 m上坡路计算，其中10%的人民采用该氢气球减重装置，则可以节约的能耗，按公式2.5计算，约为W=200 * 100 * 3000000 J=600亿（焦耳），相当于16666.7千瓦*时电能。

W=G·H （2.5）

日常生活中，大多年轻人都需要上班，小宝宝多为家中老人带，老人既要带宝宝还要去采购日常用品，由于山城特殊的地理条件，背篓虽沉重，但却是个很好的选择。如果用了该减重装置，老人不但可以轻松胜任，宝宝还有了玩具，一举两得。

（二）氢气球浮力原理在生产中节能的有效性探究

氢气球除了应用于生活中，也可以运用在生产中。起重机械是国民经济建设的重要设备，起重机械通过起重吊钩或其他取物装置起升或起升加移动重物。全国千千万万的起重机械完成了各种艰巨的建设任务，当然也“吃掉”了大量的石油、煤。如果能将氢气球的浮力原理运用到起重装置上，则可以减少大量的能源消耗，为国家清洁能源，绿色发展添砖加瓦。

四、结论与反思

但在应用氢气球浮力原理的基础上，要考虑氢气除了比空气轻以外，纯氢气还具有易燃易爆的特性，另外，氢气的提取和存储也具有一定的复杂性。所以，氢气球的节能应用虽然有一定的有效性，但前提应限定一些安全的条件（本文暂不做条件探究）。

虽然是在一定的条件下，本文的探究是通过对浮力原理的应用创新，将之应用于日常生产、生活中，可以降低一定的能源消耗，可以解放部分人力、物力，对缓解能源紧缺的局面有一定帮助。

参考文献：

[1]刑红军.关于阿基米德原理的教学研究[J].物理教师，2000，21（2）：30-31.

[2]葛翔，陈裕峰.起重机能耗状况的实测与分析[J].起重运输机械，2010（3）.