古人對浮力的應(yīng)用

謝江濤 亢鋒

對浮力的認(rèn)識和應(yīng)用是古代流體力學(xué)研究的重要內(nèi)容，在這方面，中國古代勞動人民積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

一、應(yīng)用浮力定性判定物體質(zhì)量分布是否均勻

早在先秦時(shí)期，古人就對物體的浮沉特性有所認(rèn)識，并在生產(chǎn)實(shí)踐中有十分巧妙的應(yīng)用。例如在《考工記·矢人》篇中，“矢人”在確定箭桿各部分的比例時(shí)，采用的方法是：“水之，以辨其陰陽；夾其陰陽，以設(shè)其比；夾其比，以設(shè)其羽。”

就是說，把削好的箭桿投入水中，根據(jù)箭桿各部分在水中浮沉情況，判定出其相應(yīng)的密度分布，根據(jù)這一分布來決定箭的各部分的比例，然后再按這個(gè)比例來裝設(shè)箭尾的羽毛。這種根據(jù)箭桿各部分浮沉程度判定其相應(yīng)質(zhì)量分布的方法是合乎科學(xué)的，也是十分巧妙的。

《考工記·輪人》篇在規(guī)定車輪的制作規(guī)范時(shí)，也應(yīng)用了水的浮力。為確保車輪“揉輻必齊，平沈必均”，“輪人”采用的辦法是：“水之，以眡其平沈之均也?！币馑际钦f，要測量木制輪子各處質(zhì)量是否均勻，只要把它放在水中，測量其各處浮沉程度是否一致即可。如果浮沉程度一致（平沈），輪子各處質(zhì)量分布必然是均勻的（必均）。

二、應(yīng)用浮力定量測定物體的重量

三國時(shí)期有個(gè)神童叫曹沖，是曹操的兒子，他曾經(jīng)提出“以舟稱象”。據(jù)《三國志》記載：“沖曰：‘置象大船之上，而刻其水痕所至，稱物以載之，則?？芍?。”曹沖說：“把大象趕到船上，記下船在河中下沉的位置；然后，將大象拉上岸，把石頭陸續(xù)裝入船中，直到裝載石頭的船下沉到剛才那個(gè)記號為止，再分別稱出船中石頭的重量，石頭的總重就是大象的重量?！辈軟_稱象的方法正是浮力原理的具體運(yùn)用。

三、應(yīng)用浮力起重

大約在殷商時(shí)期，我們的祖先就開始認(rèn)識和應(yīng)用浮力了。當(dāng)時(shí)是利用較大的獨(dú)木，從中間挖成槽形，放在江河的水中漂流，稱為獨(dú)木舟。周朝以后浮力得到進(jìn)一步應(yīng)用，不僅木船已普遍使用，還學(xué)會了將很多船連在一起，上鋪木板架成浮橋，浮橋是我國古代歷史上應(yīng)用浮力的偉大奇跡。

以舟起重也是中國人的發(fā)明，相傳在11 世紀(jì)初，蒲州附近潼關(guān)以北在黃河上架起一座很大的浮橋，浮橋的纜繩用8只鐵牛系住，這些鐵牛立于兩岸，每只鐵牛重?cái)?shù)萬斤。后來由于洪水泛濫，浮橋被沖垮，鐵牛也沉入河中。如何把鐵牛打撈起來，在當(dāng)時(shí)的條件下是比較困難的。和尚懷丙派人潛入水中，用鐵索把鐵牛和兩只裝滿泥土的大船系在一起，然后再將船中的泥土除去，利用大船所受的浮力，把鐵牛拉上來。懷丙是中世紀(jì)偉大的工程力學(xué)家，他創(chuàng)造的浮力起重法曾在16世紀(jì)被意大利數(shù)學(xué)家卡丹用于打撈沉船。

四、利用物體的沉浮原理估測液體的密度

在我國宋、元時(shí)代，密度的測定主要和制鹽業(yè)密切聯(lián)系，即由于估測鹽水的需要，發(fā)展了液體密度的測量技術(shù)，為曬鹽業(yè)提供了條件。11世紀(jì)，姚寬在臺州做官時(shí)，為了檢查鹽商是否舞弊，首創(chuàng)了一種簡單的估測鹽水密度的方法。選用體積大體相同，而質(zhì)量不同的蓮子10粒，當(dāng)把蓮子放在鹽水中時(shí)，如果這些浮沉子——蓮子有5粒以上浮起，說明鹽水是最濃的；如果有三四粒蓮子浮起，說明此鹽水是濃鹽水；如果不足3粒蓮子浮起，說明此鹽水是稀鹽水。到了元代，經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)，制造了便于攜帶的簡單裝置。取4個(gè)蓮子，分別用四種不同濃度的鹽水浸泡，放在一個(gè)竹筒內(nèi)，便成為簡單的測定鹽水濃度的裝置。如果要測某種鹽水的濃度，只要把待測鹽水的一小部分裝入筒內(nèi)，觀察各類蓮子浮起的情況，便可以估測鹽水的濃度。到了明代，測定鹽水濃度的方法進(jìn)一步簡化，選一粒輕重合適的蓮子，放在竹筒內(nèi)，當(dāng)把待測的鹽水放入竹筒中時(shí)，如果蓮子浮在水面上成橫倒形，則鹽水最濃；如果成垂直形，則鹽水次濃；如果蓮子沉而下浮，則鹽水不濃。我國古代這種簡單估測鹽水濃度的方法與現(xiàn)代密度計(jì)的原理相似，這說明我國古代對浮力的研究與應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)深入了。

我國漢代曾發(fā)明過一種用于發(fā)射軍事信號的燈籠——孔明燈。之所以叫孔明燈，一來因?yàn)樽龀鰜砗蟮奶鞜粲悬c(diǎn)像孔明先生所戴的帽子，二來因?yàn)槊耖g傳說是孔明發(fā)明的。它的結(jié)構(gòu)可分為主體與支架，主體大都以竹篦編成，用棉紙或紙糊成燈罩，底部的支架則以竹削成的篦組成。在燈籠的下面放一個(gè)小碟，盛上松脂，點(diǎn)燃松脂時(shí)，燈籠就能騰空而起，飛向天空。其工作原理是熱空氣比冷空氣輕，與熱氣球一樣，只是這種放飛方法更簡單，操作更方便。

人教版物理九年級第十四章《壓強(qiáng)和浮力》課外延伸閱讀