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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    浮力的奇跡(上)

                    2018-03-01 23:42:00

                      一片樹葉落在池塘里,就會像小船一樣在水面上飄來蕩去。但是,當你把一塊小石頭扔進池塘,它卻會沉到水底。這究竟是什么原因呢?我們聽到的答案往往是:“這太簡單了!因為石頭比樹葉重多了?!?/font>

                      但是這個答案很容易反駁。因為一根小鐵針扔進水里都要沉到水底,而同樣用鋼鐵制成的萬噸巨輪,卻能乘風破浪,橫渡大洋……于是,便有了新的解釋:因為水有浮力。

                      我們不妨再做一個簡單的實驗:找一桿秤、一根繩子和一塊小石頭,將小石頭懸掛在秤鉤上。提住秤紐,移動秤砣,稱一下小石頭有多重。再拿一杯水,讓掛在秤鉤上的小石頭浸到水里,但不要碰到杯底。這時,你可以看到,有秤鉤的一頭翹了起來,掛秤砣的一頭往下墜了。這表明小石頭浸到水里后,就變輕了。我們只要移動一下秤砣,就很容易算出小石頭在水里的重量,而這減輕的部分,就是小石頭在水里受到的浮力。由于小石頭受到的浮力明顯小于其重量,托不住小石頭,小石頭自然就只能沉到水底。而樹葉受到的浮力剛好和它的重量相等,所以就能浮在水面上。小鐵針與萬噸巨輪在水中的沉浮也是同樣的道理。這就奇怪了:為什么水的浮力有時候力大無窮,有時候又如此微不足道呢?這就要從一個古老的傳說講起……

                      王冠“摻假”之謎

                      公元前3世紀,阿基米德剛從埃及的亞里山大里亞回到自己的故鄉——西西里島上的敘拉古,就接到了他的親戚、國王艾希羅下達的一個緊急任務。原來為歡度一年一度的盛大祭神節,艾希羅交給匠一塊純金,訂制了一頂非常精巧、華麗的王冠。金匠不但用腦袋擔保王冠絕未摻假,而且他當場用秤測定王冠與原金塊重量相等。但在場的一位大臣指出,如果黃金中摻入了銀子,重量同樣可以不變。

                      國王感到此話有理,于是請阿基米德裁決。這本來并非難題,因為每種純物質都有固定的比重。所謂比重,就是該物質的重量與同體積水的重量比值。但是要計算王冠的比重,必須先要知道王冠的體積。但王冠并不是一塊方方正正的金磚,形狀既不規則,上面又雕滿了凹凸不平的花紋,而國王又舍不得把王冠掰開來看一看。阿基米德雖然精通數學,卻一時也找不出計算王冠體積的公式……

                      阿基米德辭別國王后,幾天里就像癡了一樣不吃不喝。朋友們看他這樣下去身體會吃不消,就勸他洗個澡,提提神。

                      于是,阿基米德去了一家豪華的公共澡堂。但即便他坐進盛滿水的澡盆時,也還在繼續想那個難題。此刻,一些水因他的進入從盆邊溢了出來,他感到自己的身子忽然輕了很多。他眼前一亮,猛地從澡盆里跳了起來,忘了穿衣就直接沖出澡堂,在大街上一邊裸奔,一邊大喊:“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?科學史上雖然記載得比較模糊,但大致可作這樣的推斷,他從浴缸溢出水的體積,與自己身體投入水中的體積大致相等這一現象,產生了以下的聯想:只要先把王冠稱一下有多少重,再把王冠放在盛滿水的盆里,稱一下從里溢出來的水有多少重,最后將王冠的重量與溢出來的水的重量一比,就可算出王冠的比重來。

                      于是,阿基米德找到國王,命人拿出一只小盆子,盆里裝滿了水,然后把它放進一只大盆子里。阿基米德首先將王冠放進小水盆里,沉沒后溢出的水淌在大盆子里,然后細心地將溢出的水收集在一只杯子中。接著,阿基米德將一塊與王冠重量相等的純黃金,按上述程序同樣操作,并請國王把收集在兩只杯子里的水量做個比較。大家一眼便知前一只杯子里水多,后一只杯子里水少。這說明王冠雖然與那塊純金的重量相等,但體積比純黃金大,或者說比重小于純黃金。因而,王冠的黃金成分不純已然是公論。

                      耐人尋味的是,若干年以后,有一個老婦人上門拜訪阿基米德,她拿出一個黃金做的圓球請他鑒定其純度。阿基米德仍用排水法測定體積,結果他以比重為參照,作出了金球被摻進了其他成分的推斷。聽到這個結論后,老婦人氣憤地將金球一切為二,發現竟是空心的。原來老婦人就是那位做王冠工匠的母親,她為了替兒子伸冤故意為之。顯然當年阿基米德疏忽了王冠上無數金飾中有許多是空心的這個事實。

                      不論這個傳說真實性如何,卻表明運用阿基米德排水法直接測定某種物質的比重,必須同時滿足兩個條件:該物質既是實心的,又必須全部沒入水中。但是物體在水中受到的浮力,等于它所排開的同體積水重——這條被尊稱為“阿基米德浮力原理”的定律,卻是完全正確的。這條定律后被他寫入羊皮紙質的專著《浮體論》中。這本十分珍貴的手稿直到2000多年后,才在耶路撒冷圖書館被人們發現……

                      阿基米德把王冠和相同重量的黃金放進水里,發現王冠排出的水比黃金的多,說明王冠摻假了。

                      懷丙和尚揭榜

                      實際上,根據古籍《墨經》的記載,早在2500年前,我國先人已經掌握了浮力的基本原理。北宋治平三年(公元1066年),懷丙和尚利用浮力打撈鐵牛的故事已在坊間傳為佳話。

                      那一年黃河發大水,淹沒了莊稼、沖毀了房屋,還沖垮了河中府(今山西永濟縣)的一座浮橋。為了固定浮橋,官府在河的兩岸各放了2只大鐵牛,拴浮橋的鐵鏈就系在兩岸的這4只鐵牛身上。每只鐵牛雖然重達萬斤,但這次水勢實在兇猛,不但浮橋被沖垮了,4只鐵牛也陷到河底的淤泥中去了。由于這座浮橋是連接山西、河南和陜西三省的樞紐,十分重要,因而洪水剛退,官府就立即著手重建。別的都好辦,就是如何打撈鐵牛成了一個十分棘手的問題。于是,官府貼出了招賢榜,重金懸賞打撈者,觀者雖多,但無人敢去嘗試。最后揭榜者竟是一名法號“懷丙”的和尚。他的打撈方法如下:首先派幾個熟悉水性的人潛入河底,摸準鐵牛的沉沒位置。接著,把兩艘很大的木船并排拴在一起,并在船上裝滿泥沙。兩艘木船之間,還用很結實的木料搭了一個架子,然后將其停泊在鐵牛沉沒的地方。他讓人把鐵索的一端拴在兩船之間的木架上,另一端則拴在鐵牛上。這一切準備妥當后,懷丙和尚命人把船上的泥沙一鏟一鏟向河里扔,兩艘大木船隨著泥沙的減少不斷往上浮。幾個小時之后,鐵牛終于從淤泥中被拔了出來,岸上百姓一片歡呼……

                      懷丙和尚實際上就是運用了浮力原理。當兩艘木船裝滿萬斤泥沙時,木船的浮力等于船和泥沙重量之和,所以吃水很深。而當泥沙不斷減少時,木船的浮力開始增加,這一部分多余的浮力就將鐵索往上緊拉,最后木船浮力超過了鐵牛在水中的重量時,鐵牛就被拽出了淤泥,露出水面。

                      “薩特闊號”重見天日

                      轉眼800年過去了,到了清朝道光年間,朝廷向國外購置了一批武器。其中一艘載著一尊2000多斤大炮的大木船,行駛到溫州附近海面上時突遇強臺風,連船帶炮一起沉入海底。

                      這時,水手任昭材自告奮勇地站了出來。他帶領8艘木船來到沉船的海面上,又將每兩艘船拴在一起,其中一艘裝滿了石子,另一艘則是空的,船中間還鋪設了木板。任昭材親自潛入海底,把4根繩索拴在沉船的船頭,另外4根則拴在沉船的船尾。這8根繩索的另一端,則分別拴在8艘木船上。

                      然后,任昭材命人把船上的石子,一擔又一擔地挑到空船上。隨著石子的逐漸減少,4艘原本吃水很深的石子船漸漸往上浮。4根拴在船上的繩子都繃得緊緊的,沉船自然漸漸被往上拉。

                      再看4艘空船的情況,它們原來吃水很淺,石子一擔又一擔往上挑后,就漸漸下沉。等到石子全部挑過來后,任昭材又命人把這些船上的繩子收緊,接著再叫人把石子一擔又一擔挑回原先盛石頭的船。隨著這4艘木船石頭的減少,它們又漸漸上浮,進一步把沉船往上拉。

                      木船上的石子每倒騰一回,沉船就被拉高一點,這樣連續倒騰十多個來回后,裝著大炮的沉船終于浮出了水面。顯然,任昭材與懷丙和尚一樣,都是利用了水的浮力。但任昭材運用8艘船4個組合連續操作,既克服了沉船與淤泥之間的摩擦力,又克服了船體本身的重力,因而比懷丙和尚“單打一”的方法更巧妙,效率也高許多。

                      在現代打撈沉船的方法中,有一種與懷丙和尚、任昭材使用的方法相似,這就是“浮筒打撈法”。例如1916年,俄國的“薩特闊號”破冰船,由于船長的重大操作失誤而沉入海底,并整整“沉睡”了17年。

                      1933年,蘇聯組織的“水下特工隊”派出潛水員,在船體沉沒的海底掘了12條溝道,并在每條溝道內穿過一條結實的鋼帶。鋼帶的兩頭分別固定在特意沉到破冰船兩旁的浮筒上。所謂浮筒,實際上是一種不會漏氣的結實的空鐵筒。這些浮筒長11米,直徑5.5米,重達50噸,體積約250立方米。每個浮筒浸泡在水中時,會產生250噸的浮力,因而必須灌滿海水,才能讓它沉到海底。當12條鋼帶都固定在浮筒上后,潛水員就開始將4個大氣壓的壓縮空氣打入浮筒內,將海水排出。隨著4個浮筒浮力的增加,最終總浮力達到了4800噸,超過了“薩特闊號”破冰船在海水中的重量。終于,這個龐然大物被拽出海面……

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