物体沉浮的因素：重力、浮力和内部物质分布

谁沉谁浮

Sink or Float

物体在水中的沉浮仅仅取决于其所受的重力和浮力吗？以下实验展示了另一个影响沉浮的因素——物体自身内部的物质分布。

实验装置

烧杯、玻璃量筒各一个，两个小玻璃瓶，细沙，连接两个小玻璃容器的塑料导管，密封用的橡皮泥，水。

现象观察

将适量细沙装入小玻璃瓶，再用塑料导管连接两个小玻璃瓶，用橡皮泥密封，组成一个沙漏。沙漏中细沙的质量能使沙漏刚下沉至水底即可。在量筒中倒入一些水，以沙漏放入后不溢出为准。然后，将沙漏中的细沙集中在其中一个玻璃瓶后，倒放入量筒，沙漏上下倾斜，并与量筒接触，如图1所示。我们观察沙漏的运动情况，发现开始时虽然沙漏的重力大于浮力，但它并没有直接下沉。而当上面玻璃瓶中的部分沙子下落到下面玻璃瓶时，整个沙漏才开始下沉。

图1　实物图，沙子在上玻璃瓶

现象解密

我们对沙漏下沉的整个过程进行受力分析：沙漏受到浮力大小没有变化，方向也始终是竖直向上的；沙漏所受的重力始终向下，但是沙子的质量分布在变化。刚开始时沙子在沙漏的上部，所以沙漏的重心在上面，沙漏受到重力F_g和浮力F_A的作用，是一种不稳定平衡（如图2所示），沙漏产生倾斜，上下端与量筒接触，从而使沙漏上下端分别受到向上的、大小为μF_p上和μF_p下的摩擦力作用（μ为沙漏与量筒内壁之间的摩擦系数，F_p上和F_p下分别为上下端沙漏对筒壁的压力），沙漏在这六个力作用下处于平衡状态。而当沙子下落一定质量之后，沙漏的倾角减小，沙漏对量筒所产生的压力减小，所受的摩擦力也减小（如图3所示），一旦竖直方向上重力大于浮力与摩擦力之和后，沙漏就开始下沉。(www.xing528.com)

图2　重力与浮力不在一条直线上

图3　重力与浮力逐渐在一条直线上

应用拓展

早在先秦时期，古人就对物体的浮沉特性有所认识，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”。意思就是，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，只要把它放入水中，测量其各处浮沉程度是否一致即可，如果浮沉程度一致，轮子各处质量分布必然是均匀的。

思考题

生活中还有哪些判断物体质量分布是否均匀的方法？