轮船是怎样利用沉浮的原理在海上航行的

船之所以能在水上走是因为根据浮力原理（即阿基米德原理）而漂浮的，船无论是否装满货物浮力都等于船重（装满货物时浮力等于船重加货物重）。行走是靠发动机产生的向后的推力而前进是利用了作用力与反作用力的原理浮力的应用



利用浮力的关键是调节重力与浮力的关系，若保持浮力不变，可改变自身重；若重力不变可改变排开液体或气体的体积。



轮船



（1）工作原理：物体漂浮在水面的原理工作的。



（2）利用把密度比水大的钢材制成空心的使它排开更多的水，增大可利用的浮力。



（3）轮船在河里和海里都是浮体，因而所受浮力相同，根据阿基米德原理，它在海水里比在河水里浸入的体积小。



（4）排水量：轮船满载货物时排开水的质量。



F最大浮力=G船+G满载时货物重



潜水艇



（1）原理：靠改变自身重来实现上浮和下潜的



（2）潜水艇自重的改变取决于水舱内充水或放水的多少。



气球和飞艇



（1） 气球和飞艇内充有密度小于空气的气体——氢气、氦气、热空气等。



（2）原理：利用空气的浮力，通过改变自身体积来实现上升和下降的。



（3）气球上升过程中，空气的密度逐渐变小，当浮力等于重力时，气球就不再上升了。



（4）气球上升过程中，大气压逐渐减小，会导致气球内气压大于气球外气压，气球膨胀，若超过了气球外壳承受的能力，气球就要破裂。

对浮力的认识和应用，是古代流体力学研究的重要内容。在这方面，中国古人积累了丰富的实践经验。



早在先秦时期，古人就对物体的浮沉特性有所认识，并在生产实践中有十分巧妙的应用。例如在《考工记·矢人》篇中，“矢人”在确定箭杆各部分的比例时，采用的方法是：



“水之，以辨其阴阳；夹其阴阳，以设其比；夹其比，以设其羽。”



就是说，把削好的箭杆投入水中，根据箭杆各部分在水中浮沉情况，判定出其相应的密度分布，根据这一分布来决定箭的各部分的比例，然后再按这个比例来装设箭尾的羽毛。这种根据箭杆各部分浮沉程度判定其相应质量分布的方法是合乎科学的，也是十分巧妙的。



《考工记·轮人》篇在规定车轮的制作规范时，也应用了水的浮力。为确保车轮“揉辐必齐，平沈必均”，“轮人”采用的办法是：“水之，以眡其平沈之均也。”意思是说，要测量木制轮子各处质量是否均匀，只要把它放在水中，测量其各处浮沉程度是否一致即可。如果浮沉程度一致（“平沈”），轮子各处质量分布必然是均匀的（“必均”）。



先秦时期人们不仅能应用浮力定性判定物体质量分布，还能应用浮力定量测定物体的重量。晋代的《符子》一书记载了这样一个故事：



“朔人献燕昭王以大豕，曰‘养奚若’。……王乃命豕宰养之。十五年，大如沙坟，足如不胜其体。王异之，令衡官桥而量之，折十桥，豕不量。命水官浮舟而量之，其重千钧。”



“浮舟量之”，就是利用水的浮力来测定这头其重无比的大猪的重量。如果《符子》的记载真实的话，这是我国古人定量利用水的浮力的一个绝妙的例子。由此发展下去，就是脍炙人口的曹冲称象的传说了。



古人在从经验角度利用浮力的同时，也从理论上对物体浮沉条件加以探讨。例如先秦典籍《墨经》就曾讨论过这一问题：



《经下》：“荆之大，其沈浅也。说在具。”



《经说下》：“荆：沈，荆之贝也，则沈浅，非荆浅也。若易，五之一。”



这里的“荆”，同形，指形体。“沈”，即沉。“具”，为器具，可泛指中空而有容积的物体。“贝”，当为“具”之误。《经》的意思是说：物体的形体虽然很大，但因其是中空的，所以在水中下沉浅。《经说》则解释道：中空的物体在水中沉下的部分浅，这并非物体本身浅，而是沉下水的部分所受的浮力等于全部物体的重量，这就像在市场上交换东西，五件甲物可以换来一件乙物一样。从这些话语来看，墨家对物体在水中的沉浮条件，已经有所认识。当然，由于《墨经》用词的简略，对这一条也还存在不同的解释，但无论如何，我们说墨家已认识到物体所受浮力跟它沉入水下部分的体积有关，这总是可以成立的。



《淮南子·齐俗训》则以竹子为例，对此加以论述：



“夫竹之性浮，残以为牒，束而投之水则沈，失其体也。”



竹子是中空的，投于水中，自然浮起，故说“竹之性浮”。把完整的竹子破开，削成竹牒，束成一捆，投入水中，则下沉，原因在于“失其体也”。即是说，竹子重量可以做到不变，但做成竹牒以后，其体积比起原来大为减少，投入水中以后所受浮力也大为减少，于是就不能浮起。显然，《淮南子》已经意识到物体所受浮力与其排水体积之间有着密切联系。



应该指出的是，无论《墨经》还是《淮南子》，都没有从定量角度揭示物体所受浮力与其排水量之间的关系。在其他中国古籍中，也未见到别人对此有清晰的论述。不过，这并不影响古人去巧妙地利用浮力。《宋史·方技传》记载了当时一个和尚怀丙巧妙利用浮力的一个例子：



“河中府浮梁，用铁牛八维之，一牛且数万斤。后水暴涨绝梁，牵牛没于河。募能出之者，怀丙以二大舟实土，夹牛维之。用大木为权衡状钓牛。徐去其土，舟浮牛出。”



僧怀丙之所为，是利用浮力起重，可谓构思巧妙。古人利用浮力的例子还可以举出许多，诸如建造船只、船坞、浮囊、战争中发明“水雷”等，这里不再多说。



从物理学的角度来看，还需要一提的是古人利用浮力对液体比重的判定。古人在实践中发现，同一物体，浸在不同的液体中，它所受的浮力也不一样。唐代段成式作的《酉阳杂俎》，其《前集》卷十九提到：



“莲实，莲入水必沉，唯煎盐碱卤能浮之。”



造成这一现象的原因，显然是由于水和盐卤的浓度不同。受此事实的启发，古人发明了通过观察莲子的浮沉情况判定液体浓度的方法。李约瑟的《中国科学技术史》一书，在考证盐水浓度的测定法时，专门引用了11世纪姚宽所写的一段记事。姚宽在台州做官时，曾因调查盐商舞弊，每日用莲子试验盐卤。他选择较重的莲子供用，倘若十粒莲子，能由盐卤中浮出三四粒，就是浓盐卤。浮起的数目不足三粒，这盐卤就是稀薄不良的。若全体莲子都沉在卤底，则该盐卤稀薄至极，即使经过蒸发，也难以得到食盐。这种方法不但巧妙利用浮力，而且还包含了一定的数理统计思想。



元代陈椿在《熬波图咏》一书中记载了一种专门用于测盐卤的器具，也是用莲子测定的，叫做莲管：



“莲管之法，采石莲，先于淤泥内浸过，用四等卤分浸四处：最咸■卤浸一处，三分卤浸一分水浸一处，一半水浸一半卤浸一处，一分卤浸二分水浸一处。后用一竹管盛此四等所浸莲子四枚于竹管内，上用竹丝隔定竹管口，不令莲子漾出。以莲管吸卤试之，视四莲子之浮沉，以别卤咸淡之等。”



用这种仪器，已经可以对盐卤浓度进行分等了。这种“莲管”原理与现代的浮子式比重计相近，其中四枚莲子相当于比重不同的色球，根据这些小球的浮沉情况便可判断液体的比重。



明末方以智在《物理小识》卷七中记载了他的老师王虚舟对金、银、铜、铁在汞液中浮沉情况的观察：



“虚舟子曰：《本草》言金银铜铁置汞上则浮，此非也。铜铁则浮，金银则沉。金银取出必轻耗，以其蚀也。”



王虚舟的观察是准确的，这反映了古人对不同比重物体沉浮状态研究的深入。这段话还记述了汞对金、银的腐蚀作用，在化学史上也是有价值的。