張伊蕊

生活中，我們將乒乓球放入水中，乒乓球便會(huì)浮在水面上。而在“天宮課堂”中，航天員王亞平將乒乓球放入水中，并用吸管將它推動(dòng)到水面以下，乒乓球仿佛睡著了一樣，停在了水中。

看到這里，相信好奇的你一定會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)：太空中的乒乓球?yàn)槭裁锤〔黄饋?lái)呢？

什么是浮力

地球附近的物體都受到重力的作用。水中的乒乓球也受到重力的作用，為什么沒(méi)有沉下去呢？這是因?yàn)槠古仪蛟诖藭r(shí)還受到了一個(gè)向上托的力，從而讓它能夠浮在水面上。

同樣，你在潛水時(shí)也能感受到水給你向上托的力，這個(gè)托力會(huì)讓你下潛得特別費(fèi)力。即使是入水就沉的大鐵塊，在水中也會(huì)受到向上托的力，這個(gè)托力讓它對(duì)水底的沖擊力減弱了很多。

像這種浸在液體中的物體受到液體向上托的力，就被稱(chēng)為浮力。浮力的方向總是豎直向上的。那你知道這個(gè)向上的浮力是怎樣產(chǎn)生的嗎？

產(chǎn)生的原因

在地球上，液體由于受到重力的作用而存在壓強(qiáng)。當(dāng)一個(gè)物體浸沒(méi)在水中時(shí)，它受到水來(lái)自四面八方的壓力。浸在水中的物體，由于深度不同，受到的壓力也不同。

圖1 中，乒乓球頂部受到了一個(gè)向下的壓力，由于頂部露出水面的部分較小，因此受到的壓力比較小;而底部受到了一個(gè)向上的壓力，由于底部在水中較深，因此受到的壓力也就較大。圖2 中，乒乓球的兩側(cè)由于深度相同，因此受到的壓力也就相互抵消了。這時(shí)，乒乓球底部受到的向上壓力大于頂部受到的向下壓力。這個(gè)壓力差，就是液體對(duì)乒乓球的浮力。于是，乒乓球在浮力的作用下浮出了水面。

可是，在太空這樣一個(gè)失重環(huán)境下，水中的物體各個(gè)部分受到的壓強(qiáng)相等，不存在壓力差，因此就不再有浮力，乒乓球自然也就浮不起來(lái)了。

決定物體沉浮的因素

仔細(xì)觀察生活的同學(xué)一定有所發(fā)現(xiàn)，除了乒乓球，小木塊、泡沫板等也能在水中浮起來(lái)，但是將橡皮、硬幣、鐵塊等放入水中便會(huì)沉下去。

那么，一個(gè)物體的沉或浮究竟與什么因素有關(guān)？在水中的物體，不僅受到向上的浮力，也受到向下的重力。當(dāng)物體受到的浮力小于重力時(shí)，下沉;當(dāng)物體受到的浮力大于重力時(shí)，上浮。當(dāng)兩者相等時(shí)，物體便懸浮在液體中。

在自然界中，動(dòng)物們通過(guò)各種方式來(lái)控制自身在水中的沉浮。例如，魚(yú)兒可以通過(guò)改變魚(yú)鰾的體積大小，改變自身受到的浮力大小，進(jìn)而控制身體在水中的位置;海牛也可以通過(guò)不停放屁排氣，來(lái)控制自己在水中的沉浮。

抹香鯨最明顯的外形特征就在于它巨大的方形大腦，其頭部占體長(zhǎng)的1/4～1/3， 而鯨腦油主要就貯存在抹香鯨頭部稱(chēng)為“抹香鯨腦油器”的腔室中。一頭成年抹香鯨的頭部可能含有1 000 升以上的鯨腦油。當(dāng)鯨腦油的溫度與抹香鯨的體溫相近時(shí)，鯨腦油呈現(xiàn)液態(tài)流動(dòng)狀;當(dāng)其冷卻到室溫時(shí)，便凝固成類(lèi)似石蠟的固態(tài)。研究認(rèn)為，抹香鯨會(huì)通過(guò)增加局部血流量或吸入冰冷海水的方式，調(diào)節(jié)鯨腦油腔室內(nèi)的溫度，讓鯨腦油溶解或凝固，從而改變比重，由此作為其浮力調(diào)節(jié)劑。

烏賊的身體構(gòu)造也非常有特色，它的外套膜及頭部在背面有軟骨相連，外套膜邊緣與外界相通的開(kāi)口能夠隨時(shí)關(guān)閉或張開(kāi)。當(dāng)外套膜邊緣張開(kāi)時(shí)，海水便流進(jìn)烏賊的外套腔內(nèi)。水注滿(mǎn)了外套腔，開(kāi)口就自然關(guān)閉。這時(shí)，烏賊即可沉入海底。它還能靠頭部特殊形狀的漏斗噴水來(lái)后退或前進(jìn)。當(dāng)外套腔注滿(mǎn)水后，外套膜的肌肉用力收縮，水便從漏斗噴出，烏賊便借助噴水的反作用力前進(jìn)。它還可以借漏斗的不同擺放位置前進(jìn)或后退。

在生活中的應(yīng)用

1. 浮島式航母

中國(guó)打造排量50 萬(wàn)噸浮島式航母，作為大型海上浮動(dòng)平臺(tái)，實(shí)際上也是一種模塊化組合而成的超大型人工浮體，不僅為空軍提供海上移動(dòng)機(jī)場(chǎng)，也可作為海軍水面艦艇的綜合補(bǔ)給站。相比于航母性能的單一性，這種可移動(dòng)的浮島式海上平臺(tái)擁有極為重要的軍事意義。

2. 北斗海洋浮標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)

海洋浮標(biāo)，是漂浮在水面上的航標(biāo)，用來(lái)標(biāo)記航道、指示淺灘或危及航行的障礙物。除了能夠指示航道，海洋浮標(biāo)還是無(wú)人的自動(dòng)海洋觀測(cè)站。它可以在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間24小時(shí)連續(xù)工作，每天定時(shí)測(cè)量，并且發(fā)報(bào)出十多種水文氣象要素，可以為海洋科學(xué)研究、海上石油開(kāi)發(fā)、港口建設(shè)等收集必需的海洋水文氣象資料。我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以利用自身抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，為過(guò)往船舶提供更加精準(zhǔn)的保障。裝備北斗系統(tǒng)的海洋浮標(biāo)部署在西沙群島至南沙群島的大片海域，可以將南海至大陸沿岸的海洋關(guān)鍵數(shù)據(jù)盡收眼底。

3. 深海固體浮力材料

該材料具有密度低、耐壓強(qiáng)度高、吸水率低、耐腐蝕、可進(jìn)行二次機(jī)械加工、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，能滿(mǎn)足深海的使用要求，主要為深海作業(yè)裝備提供所需的浮力，以保證穩(wěn)定的深海工作狀態(tài)。該材料在水下深潛器、水下機(jī)器人等方面都已得到應(yīng)用，并能在水下數(shù)千米的深海安全使用。