探寻阿基米德浮力定律的发现

浮力定律的发现

善于观察思考的成果

阿基米德是古希腊最具有现代精神的伟大物理学家，浮力定律是由阿基米德发现的。阿基米德是古希腊杰出的数学和力学奠基人,自幼聪颖好学，是一位善于观察思考并重理论与实践相结合的科学家。他对待科学研究的态度是勇于革新、勇于创造而又严肃认真，曾在几何学、静力学以及机械的发明创造方面取得了巨大的成就。

阿基米德

浮力定律现在又称阿基米德定律。这一定律的发现和一个有趣的故事有关。有一次阿基米德在众目睽睽之下光着身子从澡堂里飞奔而出，欢呼雀跃，周围的人都不知究竟发生了什么事使这位大学者忘乎所以。原来叙拉古国王曾命令金匠做了一顶纯金的王冠，新王冠做得十分精巧，纤细的金线密密地织成了各种花样，而且也非常合适，国王十分高兴。但是转念一想：我给了工匠15两黄金，会不会被他们私吞几两呢？因此马上叫人拿秤来称，不多不少，正好是15两。但这时一个大臣站出来说：“重量一样并不等于黄金没有少，万一金匠在黄金中掺进了银子或其他的东西，重量可以不变，但王冠已不是纯金的了。”国王一听觉得很有道理，但有什么办法既不损坏王冠又能知道其中是否掺了银子呢？国王把这个难题交给了阿基米德。阿基米德好几天想不出什么好主意，废寝忘食，近乎痴迷，这时朋友劝他去洗个澡，放松放松。阿基米德在洗澡时突然注意到，当他坐到满满一盆水里去时，水从盆边溢到了盆外，他脑子里灵光一闪，猛地从澡盆里跳出，来不及穿上衣服就狂奔回家。他在家里做好了实验，来到国王面前，把盛满水的一个大盆放在一只大盘子里，又请国王拿出一块15两重的黄金和两只一样大小的杯子。然后，阿基米德取过王冠，放在盆子里，水溢出来，阿基米德把溢出来的水都装进一只杯子里。然后用同样的方法把15两黄金溢出来的水装进另一只杯子里。最后他拿着两只杯子走到国王面前，说道：“陛下，请您比较一下，这两只杯子里的水一样多吗？”国王一眼就看到一只多一只少。于是阿基米德肯定地说：“王冠里一定掺了银或者其他的金属，它不是纯金的。”原来阿基米德利用了物质的密度、体积和质量的相互关系，同一物质的密度是固定的，即质量与体积之比是一个确定的数。这样，如果王冠是纯金的，它所排出的水应该与15两纯金所排出的水的体积一样，如果不一样，那么王冠里肯定掺了其他金属。这就是著名的浮力定律，为了纪念这位伟大的科学家，人们把浮力定律命名为阿基米德定律。不过，阿基米德的贡献并不限于回答了国王的疑问，今天，潜水艇的沉浮，气球和飞艇的飞行，制造巨型舰船，水中悬浮隧道……都离不开阿基米德原理。

潜水艇在军事上运用非常广泛，浸没在水中的潜水艇排开水的体积，无论下潜多深，始终不变，所以潜水艇所受的浮力始终不变。潜水艇的上浮和下沉是靠压缩空气调节水舱里水的多少来控制自身的重力而实现的。若要下沉，潜艇主压载水舱可以注满水，增加重量，抵消其储备浮力；若要上浮，可以用压缩空气把主压载水舱内的水排出，减小重量，恢复储备浮力。在潜水艇浮出海面的过程中，因为排开水的体积减小，所以浮力逐渐减小，当它在海面上行驶时，受到的浮力大小等于潜水艇的重力，它能够在海中灵活上浮和下沉。气球和飞艇里充的是密度小于空气的气体，热气球里充的是被燃烧器加热、体积膨胀、密度变小了的热空气。当球襄内的空气被加热，变轻产生浮力就可以升上天空，若要使充氦气或氢气的气球或飞艇降回地面，可以放出球内的一部分气体，使气球体积缩小，浮力减小，使F浮＜G球；停止加热，热空气冷却，气球体积就会缩小，减小浮力，或者降回地面。钢铁制造的轮船，由于船体是空心的，使它排开水的体积增大，受到的浮力增大，这时船受到的浮力等于自身的重力，所以能浮在水面上，它是利用物体漂浮在液面的条件F浮=G船来工作的，只要船的重力不变，无论船在海里还是河里，它受到的浮力不变。根据阿基米德原理，船在海里和河里浸入水中的体积不同，轮船的大小通常用它的排水量来表示，所谓排水量就是指轮船在满载时排开水的质量。轮船满载时受到的浮力F浮=G排，所以轮船是漂浮在液面上的。(www.xing528.com)

2007年，中国科学院力学研究所与意大利阿基米德桥公司的合作项目——世界首座阿基米德桥（即水中悬浮隧道）的样桥将在中国浙江省千岛湖建造。阿基米德桥学名为水中悬浮隧道，不过与隧道不同，阿基米德桥是借助于浮力浮于水中的；与一般的桥也不同，对于浮力大于重力的阿基米德桥，它和水底的连接方式与一般的桥相反。阿基米德桥是利用悬浮隧道技术，通过锚来固定的水下隧道。意大利阿基米德桥公司总裁埃利奥·马塔切纳博士说，阿基米德桥样桥的建设将成为内陆湖泊和海峡交通技术领域的一次革命。他说，中国科学院选定浙江千岛湖作为建设样桥地点，样桥长度为100米。样桥建造将为在浙江省金塘海峡设计和建造3300米长的水下悬浮隧道提供参考。阿基米德桥依据阿基米德浮力定律而建造，其横截面呈椭圆形或圆形，正中为公路，分为上下两层，单向行驶，两侧为铁路。其体积所产生的浮力足以使它浮在水中，因此需要用钢缆将其固定于水下，以免浮力过大而上升，影响海面船只航行。

阿基米德的著作《论浮体》成为水力学的奠基石。《论浮体》是古代第一部流体静力学著作，阿基米德因此而被尊为流体静力学的创始人。20世纪之前，《论浮体》只有莫贝克13世纪时的拉丁文译本，1906年，海伯格发现了羊皮纸上的希腊原文，但不完全。现传的本子是两种文字参照编成的。上卷的命题7给出著名的“阿基米德原理”：重于流体的固体，放在流体中，所减轻的重量，等于排去流体的重量。这个原理因和他解决王冠问题联系在一起而脍炙人口。下卷的10个命题详细地讨论了正回旋抛物体在流体中的稳定性，研究了不同的高与底的比、具有不同的比重及在流体中处于不同位置时这种立体的形态，在推理中运用了高度的计算技巧。

阿基米德生平

阿基米德，古希腊著名的数学家、物理学家，静力学和流体静力学的奠基人，也是具有传奇色彩的人物。公元前287年，阿基米德诞生于西西里岛的叙拉古，他出身于贵族家庭，与叙拉古的赫农王有亲戚关系，他11岁时，借助与王室的关系，被送到古希腊文化中心亚历山大里亚城，亚历山大里亚位于尼罗河口，是当时文化贸易的中心之一，被世人誉为“智慧之都”。阿基米德在这里学习和生活了许多年，他在学习期间对数学、力学和天文学有着浓厚的兴趣。在他学习天文学时，发明了用水利推动的星球仪，并用它模拟太阳、行星和月亮的运行及演示日食和月食现象。为解决土地灌溉的难题，他发明了圆筒状的螺旋扬水器，后人称它为“阿基米德螺旋”。公元前240年，阿基米德回叙拉古，当了赫农王的顾问，帮助国王解决生产实践、军事技术和日常生活中的各种科学技术问题。公元前212年，古罗马军队攻陷叙拉古，阿基米德不幸被蛮横的罗马士兵杀死，终年75岁。阿基米德的遗体葬在西西里岛，墓碑上刻着一个圆柱内切球的图形，以纪念他在几何学上的卓越贡献。