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第10章 阿基米德定律

涉及到浮力,人们就会想起阿基米德发现浮力、曹冲称象的故事。其实自然界中的浮力,早为人们所认识,无论在古代还是在现代,都得到广泛的应用。

大家知道,关于浮力的定律,今天就叫阿基米德定律,阿基米德发现这一定律的过程,是通过古希腊学者维特鲁乌所写的书流传下来的。书中叙述了这样一个有趣的故事:海罗在叙拉古取得王位后,为了庆祝自己的胜利,决定制造一顶纯金王冠放入圣庙,奉献给不朽的神灵,以表示还愿的心意。为此他给工匠称了适当重量的黄金,并限期做出。到了限期,工匠送来了制成的王冠,它精美无比,而且重量和当初称给他的黄金的重量相符。海罗王大喜。但后来传出的消息说,工匠偷窃了黄金,而所缺的分量用白银代替了。海罗王为自己受骗而十分气愤,但是他无法判定工匠的盗窃行为。于是,他就请智慧的阿基米德想办法。阿基米德受命后,一天他去洗澡,一跳进装满水的澡盆。他就发现他身体漫出澡盆多少,就有多少部分的水从盆中溢出。由于他心里老是想着如何解决那个王冠问题,这一发现使他恍然大悟,终于找到了他朝思暮想的方法。

根据这个发现,他做了两件重量与王冠相等的物体,一件是纯金的,另一件是纯银的。然后他在一个大盆里放满了水,先是把银件放了进去,有些水溢出来了。这溢出的水的体积和银件的体积是相等的。然后,他把银件拿出来再用量杯向盆中倒水,直到水又满盆为止。这样他就测出了与一定量的水相对应的银件的体积。

做完这个实验后,他又把金件放入盆中,水又溢出一些,然后取出来,再用量杯把水倒入盆内。他发现这次溢出的水没有上次那么多。这就是说,金件的体积比重量相等的银件的体积小。最后,他又在水盆中放满水,并把王冠放进去,发现王冠排出的水比同样重的金件排出的水要多,这说明金冠里掺入了白银,那个工匠的盗窃行为被揭露了。

根据维特鲁维写的这样的描述,阿基米德是利用“体积替代法”,即利用水来测出不规则物体的体积的方法来解决王冠问题的。在这个故事里实际上他并未用到浮力原理,甚至在操作过程中也根本未利用浮力。因此,用这个故事说明阿基米德发现浮力原理是不确切的。这个方法有些类似我国曹冲称象时用的方法。但是,如前所述,曹冲用的是一种重量替代法。浮力在他的方法中起了重要的作用,他利用了水面上漂浮的物体所受的浮力和重量平衡的原理。

尽管如此,古希腊留下的文献证明,阿基米德的确提出了浮力定律。在《论浮体》一书中,阿基米德从下述的假设开始。液体有下列基本性质:在液体内所有均匀而连续的区域内,受到较大压力的部分对受到较小压力的部分施加向上的力。但是,液体的每一部分发都受到其正上方部分的压力,只要后者正在下沉或受到其他部分的压力。

在这样的基础上,他论证了一些命题,例如:命题2:任一静止液体的表面是以地心为心的球面(的一部分)。

命题3:凡与等体积液体等重的固体,若置于液体内,它必将浸没到使其表面不致露出液面,但不会浸得更深。

命题5:若将轻于液体的任一固体置于液体内,它将下沉到这样的程度,使该固体(在空气中)的重量等于其排开液体的重量。

命题7:若将一重于液体的物体置于液内,它将下沉到液底,且若在液体内称其重量,则它减轻的重量等于其排开液体的重量。

这后三个命题虽然没有用到浮力的词句,但是确切地说明了物体在液体中所受浮力的规律,命题7尤其是这样。今天我们的叙述是:浸入液体的物体所受的浮力等于它所排开的液体的重量。

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