水的浮力问题

ob · 发表于 2007-7-18 09:52:56

今天带儿子游泳。中间儿子要去泡Jacuzzi. 看着水里不停冒出的气泡，想到一个问题，是有气泡的水的浮力大呢，还是没气泡的水的浮力大？你能给出答案吗？最好对你的答案给予一些解释。

yinyin · 发表于 2007-7-18 12:44:53

一样大。水对水中物体的浮力永远是该物体所排开的水的重量，与水中有无气泡、有多大的气泡、有多少气泡都无关。

只看该作者 · 发表于 2007-7-18 20:46:59

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yinyin · 发表于 2007-7-19 09:16:21

那是空气中含有1%的水。这时对物体的浮力应是空气的浮力，它等于物体所排开的含水空气的重量。

物体周围水中若有少量上浮气泡（不是像一堆肥皂泡那样相对稳定的气泡），不会影响水对物体的浮力，因为物体排开的是水。倘若水中加入乳化剂一类东西，再搅入空气，形成密密麻麻稳定的小气泡，这样的泡沫状液体对物体的浮力应是物体所排开的这样的液体的重量。

yinyin · 发表于 2007-7-19 12:23:25

如果物体排开的是气泡，那就该考虑气泡对物体的浮力，它等于该物体所排开的气泡的重量。泳池中部分地方有上冒的气泡，若并不影响“物体排开的是水”这一事实，那么“水的浮力”仍是该物体所排开的水的重量。若气泡稳定地悬混于水中，那这种悬混水对物体的浮力就等于该物体所排开的悬混水的重量。总之，物体在液体（或气体）中的浮力，一定等于该物体所排开的液体（或气体）的重量。

yinyin · 发表于 2007-7-20 06:12:37

试想，是什么力使水让位于气泡？（如果带气泡的水托不住漂浮物体，怎么能把周围的水排开？）气泡在把水推开的同时，也把同样大小的力作用于上述漂浮物体！从另一个角度来看，周围的水压着气泡，气泡会把这压力转递给漂浮物体。宏观上讲，这传递过来的力等同于水的浮力。你所说的物体“下沉”，可能是由于气泡是杂乱上升着的，使漂浮物体受力不均，掉了下去；或者造成涡流，把漂浮物体带下。

减肥猪 · 发表于 2007-7-20 11:08:47

流体对流体中的物体的浮力等于物体排开流体的重量－－这才是严格的说法。

水加气泡，就不再是水流体了，而是水气流体。其比重降低，所以浮力减少。

本贴由[减肥猪]最后编辑于：2007-7-20 3:9:33

yinyin · 发表于 2007-7-20 14:07:22

回到原题，泳池中局部地方冒气泡并不会降低你身边的水对你的浮力，因为你排开的是水。养观赏鱼的朋友可以在鱼缸中做个试验：对提供气泡的小马达突然切断电源，气泡没了，看鱼儿会否突然上浮。

只有在气泡悬混于水中，这种悬混液体的密度小于水的密度时，它对物体的浮力才会比通常水的浮力小。

类似的问题可供参考：

1）泳池中漂着好多包装用的泡沫塑料板，你在泳池中会否感到水的浮力小了？

2）好多人挤在泳池中，由于人体比重比水大，你在泳池中会否感到水的浮力大了？

3）人陷在稀泥桨（水和泥土的悬混物）中，泥浆对人体的浮力如何？

减肥猪 · 发表于 2007-7-20 16:56:55

在考虑流体时，我们有必要先对流体进行定义。没有定义的讨论就是抬杠了。所谓流体就是该物质分子与分子间的引力力足够小，分子之间可以自由流动。并注意流体力学上的流体是理想流体－－分子间引力为零！实际生活中这种情况不不存在，所以在实际生活中应用物理定律要进行适当修正，不能生搬硬套。

当把有气泡的水算作流体时，气泡和水必须进行充分混和。如果气泡和水没有进行充分混和，我们只能分区考虑。譬如水中有一个大气泡，大得足以容下一个小物体，那么气泡中的小物体只受气泡中气体的浮力。而气泡外的物体受水的浮力，我们就不能将气泡和水合在一起讨论问题。

你说，“只有在气泡悬混于水中，这种悬混液体的密度小于水的密度时”。我想说，如果我们用气泡发生器，使水中气泡含量恒定，并充分混和，这种情况跟“气泡悬混于水中”是一样的。说个极端的情况，我们的气泡发生器产生的气泡太多了，把水吹成云了，我们这时肯定没有一点水的浮力了。另一个极端情况，水中的气泡少的可怜随充分混和（我们大家都知道一般水中含有氧和气氮气等），那气体对浮力的影响几何为零。但我们更关心的是流体的密度。譬如热水就比冷水浮力要小。

游泳池中漂着泡沫塑料板的情况，泡沫塑料版应被视为固体，而非流体，而且泡沫塑料板漂浮在水面，并没有跟水充分混和。

好多人挤在泳池中，跟以上情况一样，人非流体，并未充分混和。

当固体颗粒足够小的时候，颗粒与颗粒之间可以自由流动时，我们可以将其作为准流体（而非理想流体）考虑。所以泥浆在很多情况下可以被看作准流体。泥浆的比重比水重，所以其浮力比水大。

考虑物理问题，我们不能生搬硬套物理定理定律。我们所学的物理精髓是，严格定义，全面考虑边界条件，再加严谨推理计算。如果只是背了定理定律，而没学到定义和边界条件的考虑，那我们肯定要被问题搞糊涂的。

yinyin · 发表于 2007-7-20 17:10:13

说得有理。

原题中是考虑泳池中的气泡，它并未与水充分混合，故带有气泡的泳池中的水与通常泳池中的水对人体的浮力是一样的。

减肥猪 · 发表于 2007-7-20 17:12:39

握手

HF: · 发表于 2007-7-20 18:15:46

Let's step back a little bit from the Archimedes' principle, and consider the more basic Parscal's principle: The pressure in fluid at depth h is rho*g*h.

Now, consider a submerged cubic of edge-length L(with top and bottom parallel to ground). The bouyancy on the cubic is simply (P2-P1)*L*L, where P2 and P1 are respectively the pressures on bottom and top of the cubic.

In still water, P2-P1 = rho*g*L, so the boyancy is rho*g*V, and hence the Archimedes' principle.

Now, consider the case with bubbles. For simplicity, let's ignore the mass of these bubbles. Let's assume we have a large cycindrical tank of height h, with water fill up to the middle of the height of the tank. Now consider water bubles are evenly and continously let off from the bottom of the tank. Now, the surface of the water will rise from height h/2 to H. But since we ignore the mass (and also weight and the force needed for its accelerating upward movment) of the bubbles, the pressure on the bottom of the tank is not changed.

Now, consider the difference in the pressure on the top and bottom of the submerged cubic. It is used to be L/(h/2)) of the pressure at the bottom of the tank, now, it is L/H of the pressure at the bottom of the tank. As a result, P2-P1 is now (h/2)/H of its old value, and the buoyancy on the cubic is also only (h/2)/H of the old value.

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