浮力原理在節(jié)能環(huán)保中的有效性探究

殷建麗，饒思梁

[摘 要] 黨的“十九大”報告中明確要求堅持“人與自然和諧共生”，并將節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境定為基本國策。響應(yīng)國家號召，探究浮力原理在生產(chǎn)生活中節(jié)能環(huán)保的有效性，利用氫氣球?qū)θ粘Ｉa(chǎn)、生活提供清潔的節(jié)能措施，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，為節(jié)能環(huán)保、綠色發(fā)展提供了一條可行的道路。

[關(guān) 鍵 詞] 浮力原理；節(jié)約能源；氫氣球

[中圖分類號] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）08-0101-01

一、前言

目前，能源危機(jī)形勢日益嚴(yán)峻，能源成了國家經(jīng)濟(jì)的命脈。地球上的能源主要為石油、煤、天然氣，其中爭奪最為激烈的當(dāng)屬石油資源。為了爭奪能源，爆發(fā)過兩次世界大戰(zhàn)，波及六十多個國家。戰(zhàn)后各國發(fā)展對石油等能源的需求不減反增，我國的能源形勢更加嚴(yán)峻，為保障國家的能源供應(yīng)，國家大力倡導(dǎo)節(jié)約能源，綠色發(fā)展的理念。

二、原理探究

其實(shí)，我們的祖先早就在運(yùn)用浮力原理進(jìn)行生產(chǎn)生活，例如“獨(dú)木舟”，它是最古老的水上交通工具，是利用浮力原理進(jìn)行運(yùn)輸?shù)牡湫桶咐?/p>

浮力指物體在流體（包括液體和氣體）中，各表面受流體（液體和氣體）壓力的差（合力）。早在公元前245年，阿基米德就發(fā)現(xiàn)了浮力原理，并將浸在液體或氣體里的物體受到液體或氣體豎直向上的托力叫做浮力。

浮力的定義式如2.1所示：

F浮=G排； （2.1）

可用它推導(dǎo)出液體浮力公式，如2.2：

F浮=ρ液gV排； （2.2）

其中：ρ液為液體密度；g為重力與質(zhì)量的比值，在粗略計算時，g可以取10 N/kg；

V排為排開液體的體積。

同時，液體的浮力也適用于氣體，其公式為2.3：

F浮=ρ氣gV排 （2.3）

顯然，當(dāng)物體上浮時，浮力大于物體的重力，當(dāng)物體漂浮或懸浮時，浮力等于重力；但當(dāng)物體處于下沉狀態(tài)時，浮力小于重力。利用這一原理，我們可以將其運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)、生活中。

三、應(yīng)用研究

根據(jù)浮力原理，我們可以考慮利用氫氣球進(jìn)行運(yùn)輸和舉升重物，這樣的話可以節(jié)約人力、物力，減少能源消耗，支撐國家能源政策。

（一）氫氣球浮力作用在解放人力中的應(yīng)用

目前，人們對氫氣球的認(rèn)知基本是兒童玩具或喜慶節(jié)日放飛以烘托節(jié)日氣氛所用，而對解放或者減少人力方面沒有做很好的探究，本文則以重慶為例，探究在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

重慶主城大氣壓強(qiáng)為100 kpa，可以看成1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，按照浮力計算公式，假定在0 ℃，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，普通氫氣球按照體積為100 cm3

V=■πR3（R為氣球半徑） （2.4）

按浮力公式，氫氣球的所受浮力就是：

F浮=ρ氣gV排=1.29 N

假定在僅有浮力和重力的情況下，在空氣中若保持氣球靜止，氣球本身重量忽略不計，即令F浮=G物，即氫氣球下懸掛重力為1.29 N的重物。

由G=mg，m=G/g=0.129 Kg，即普通氫氣球下懸掛質(zhì)量為0.129 Kg的重物，氫氣球靜止在空中，即持氣球人不用花費(fèi)任何氣力即可持住氣球。

同理，體積是1立方米的氫氣球在空中受到的浮力：

F浮=12.9 N. m=G/g=1.29 Kg

反過來，若是一般人的耐力負(fù)重為50 Kg，若完全不花費(fèi)任何力氣的情況下，根據(jù)公式2.4，可以算出，需要半徑為R=1.18 m的氫氣球。

大家知道，傳統(tǒng)的重慶山城人民習(xí)慣了用背簍背物品，沉重的背簍再加上極重的物品一般人很難承受，長期的過度勞作，會給人體造成極大的傷害。若在背簍上裝上幾個氫氣球減重裝置，會較大或部分減輕重物對人體的壓力，一定程度上減少或緩解人身體的損害。一般直徑R=0.3 m的氣球，即能滿足人們?nèi)粘＿\(yùn)輸各種重物的需求，按重慶3000萬人民，每天搬運(yùn)20 Kg重物，走100 m上坡路計算，其中10%的人民采用該氫氣球減重裝置，則可以節(jié)約的能耗，按公式2.5計算，約為W=200 * 100 * 3000000 J=600億（焦耳），相當(dāng)于16666.7千瓦*時電能。

W=G·H （2.5）

日常生活中，大多年輕人都需要上班，小寶寶多為家中老人帶，老人既要帶寶寶還要去采購日常用品，由于山城特殊的地理?xiàng)l件，背簍雖沉重，但卻是個很好的選擇。如果用了該減重裝置，老人不但可以輕松勝任，寶寶還有了玩具，一舉兩得。

（二）氫氣球浮力原理在生產(chǎn)中節(jié)能的有效性探究

氫氣球除了應(yīng)用于生活中，也可以運(yùn)用在生產(chǎn)中。起重機(jī)械是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要設(shè)備，起重機(jī)械通過起重吊鉤或其他取物裝置起升或起升加移動重物。全國千千萬萬的起重機(jī)械完成了各種艱巨的建設(shè)任務(wù)，當(dāng)然也“吃掉”了大量的石油、煤。如果能將氫氣球的浮力原理運(yùn)用到起重裝置上，則可以減少大量的能源消耗，為國家清潔能源，綠色發(fā)展添磚加瓦。

四、結(jié)論與反思

但在應(yīng)用氫氣球浮力原理的基礎(chǔ)上，要考慮氫氣除了比空氣輕以外，純氫氣還具有易燃易爆的特性，另外，氫氣的提取和存儲也具有一定的復(fù)雜性。所以，氫氣球的節(jié)能應(yīng)用雖然有一定的有效性，但前提應(yīng)限定一些安全的條件（本文暫不做條件探究）。

雖然是在一定的條件下，本文的探究是通過對浮力原理的應(yīng)用創(chuàng)新，將之應(yīng)用于日常生產(chǎn)、生活中，可以降低一定的能源消耗，可以解放部分人力、物力，對緩解能源緊缺的局面有一定幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]刑紅軍.關(guān)于阿基米德原理的教學(xué)研究[J].物理教師，2000，21（2）：30-31.

[2]葛翔，陳裕峰.起重機(jī)能耗狀況的實(shí)測與分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2010（3）.