中华学生百科全书-第446部分

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沉。当需要让潜水艇处于水中某一深度行进时，只需让水舱注入适当量的海
水就行了。如果需要潜水艇上浮，就用机器把大量压缩空气注入水舱，排出
舱中海水，减轻艇的重量，潜水艇就会迅速浮出水面。
这实际上是阿基米德原理的应用。原理告诉我们：浸在液体中的物体受
到一个向上的浮力，它的大小等于物体所排开的液体受到的重力。所以，水
舱储藏水量的多少是潜水艇上浮、下沉、保持深度的一个重要因素。
潜水艇不是一般的舰艇，主要是在水下进行战斗活动，靠水下隐蔽来发
挥它的攻击威力。它除了能在一定深度的水中航行外，还应该能够潜伏在水
下一定深度不动，给敌人以出奇不意的攻击。但是当潜艇所处深度的水的密
度发生变化时，它就不能保持稳定。虽然潜艇可以通过做一些小的调整来对
付这一变化，但是这种调整是不现实的，因为潜水艇的一些细微动作，都可
能被敌方侦察到，所以有了一个问题：应该如何使潜水艇保持其稳定状态呢？
要使潜水艇在水中能维持稳定，海水密度应随深度的增加而增加。这时
若潜水艇稍微上移，有一向下的合力，使它又回到原来的深度；若潜水艇稍
微下移，有一向上的合力，也要使它回到原处。海水密度与水温成反比，与
含盐量成正比，而后二者都随水深的增加而下降。故在　25～200　米水深处，
潜水艇能找到一些区域（称为温跃区），其水温会随着水的深度的增加而急
速下降，从而抵消含盐量的下降，从而提供了保持稳定性的条件，使潜水艇
能够在这些区域潜伏不动。
阿基米德原理在航海、航空及其生产建设与日常生活中，都有着广泛的
应用。人类很早就能利用浮力了，最初只是无意识地应用它，后来人们有意
识地分析、研究自然界中的现象，得出各种理论，反过来又能指导生产出各
种产品，服务于人类。比如，从井中打一桶水。当桶还在水中时，好像向上
提并不费力，但桶露出水面后，就感到很重。这就是因为浮力作怪。桶在水
中除受到向上的拉力和向下的重力作用外，还受到向上的浮力作用，所以人
感到一桶水很“轻”；而桶露出水面后，浮力就开始减小，直到最后完全消
失。
破冰船正是以类似的方式工作的。当在极地区域航行时，往往会遇到巨
大冰块阻止船前进。这时就需有像破冰船一类构造的船才能继续前进。另外，
当严冬降临时，北方的港口和海面常常发生冰封，阻塞航道。为了便于船舶
出入港口，常需破冰船进行破冰。破冰船凭借着强大的发动机，可使其向上
倾斜的船头爬上冰面。船首露出冰面后，把它的整个重量全压在冰上，这样
就能毫不费劲地把冰压碎。为了增加船头的重量，在船头还装上专门的水舱，
必要时注满水。如果冰层较厚，破冰船往往要后退一段距离，然后再向前猛

冲。一次不行，就反复冲，直到把冰层冲破。破冰船就是这样不断前进，在
冰上开出一条通道来的。
在波涛汹涌的大海上，每年总会沉没大大小小的船只，它们堵塞航道，
对船舶航行造成极大的威胁。另外在一些极有价值的古代沉船上，宝藏极为
丰富。因此，打捞沉船成为必要。沉船的打捞方法多种多样，但原理几乎都
是利用浮力。象广泛使用的浮筒打捞法，就是把一些浮筒注满水后沉放排列
在沉船的两舷，然后将钢绳套在浮筒的桩头上，开动机器，向浮筒中充压缩
空气，使浮筒内的水排出，浮筒受到的浮力就可将沉船抬出水面。
同液体有浮力一样，空气也有浮力。气球和飞艇就是利用空气的浮力升
入空中的。不过航空上把这种浮力称为升力。
中国很久以前就发明了一种松脂灯，用竹篾和纸糊成灯笼，灯下部放一
块燃烧着的松脂。当灯笼内空气被加热后，体积膨胀，跑掉一部分热空气，
使灯外的空气对它产生了升力，这样灯笼就可飞上高空，用作军事信号。这
也是最原始的热气球。
气球和飞艇的主要组成部分是气囊。气囊内充有密度比空气小的气体，
如热气、氢气或氦气。如果气球或飞艇自重加上所载物体的重量小于气囊排
开的空气重量，即小于受到的升力，气球或飞艇就会升入空中。由于高空中
空气越来越稀薄，密度在减小，所以气球或飞艇所受的升力等于它受到的重
力，就不再上升而停在某一高度漂浮。当需要降落时，只需放出气囊中的部
分气体就行。
气球和飞艇有着多种用途。气球用于气象和天文观测，进行各种科学试
验、转播电视节目和进行通讯等。气球只能随风漂游，不能按照预定的航线
飞行，而飞艇上装有发动机，可以控制飞艇的飞行方向和速度，所以它可用
来进行空中运输、地质考察和治安防卫等。
在医学上，浮力还有一个特殊的用途——水疗法。如果病人的四肢肌肉
或关节有病、受伤，医生可以让他浸在水中，利用身体受到的浮力作用，使
病人只要用很小的力，就能使四肢活动，进行治疗。
浮力还有许多用途，如农业生产上用盐水选种及港口气体防浪堤的建造
等等。

蜡烛的精神

一根蜡烛长　18　厘米，质量　59　克，密度　0．9　克／厘米　，如果把蜡烛竖直
3

放在水中，保持它稳定不倒，必然有一部分浮出水面。这样，蜡烛仍然可以
点燃发光。随着蜡烛烧去一部分，原来沉没在水下部分的蜡烛，它所产生的
浮力就会大于蜡烛的重量，于是浮力使蜡烛继续浮出水面。问蜡烛何时被水
淹灭，蜡烛灭时还剩多少厘米？
答：由于蜡烛的密度为　0．9　克／厘米　，所以蜡烛浮出水面的长度是总长
3

的　1／10，在水中部分的长度为总长的　9／10，这样才能使蜡烛的重量和水对它
的浮力平衡。
上述关系在蜡烛的燃烧过程中仍然成立，也就是说，当蜡烛烧去一截以
后，它浮出水面的长度仍旧是目前总长度的　1／10。由此推论，蜡烛自始至终
浮出水面　1／10　的长度。只要水面非常平稳，这种发展将无穷无尽，最后可以
认为蜡烛会全部烧完。
到此为止，使人感到蜡烛的精神确实可贵，不仅在空气中，就是浮在水
上，也是“蜡炬成灰泪始干”。

蜡烛的立场

随之而来，我们会发现又一个问题：为什么把蜡烛竖直放在水中会非常
1
难？它往往一侧身，就横着躺在水面上。尽管这时它仍然浮出水面10的体
积，可是无法点燃，也就不能无私奉献了。请你解释一下，它为什么会站不
稳？
L
答：蜡烛的重心O在　位置，重力G向下可以看做是作用在O点上。蜡
2
烛的浮力　F　向上，作用在蜡烛役在水中部分的中点　P　的位置。G　和　F　大小相
等、方向相反，分别作用在　O　点和　P　点。这种作用方式是不稳定的，只要稍
微受到一点外界干扰，产生力矩，使蜡烛旋转，直到横浮在水面，使浮力的
作用点　P　移动直到接近　O　点。
由此可见，蜡烛的立场很重要。只有站得稳，它才能无私地燃烧自己，
放出光和热。

神奇的表面张力

在日常生活中，我们对见到的一些现象可能已经习以为常，认为它们理
应如此，但是为什么会这样，就没有过多地去想了。比如，下过雨后，我们
可以见到树叶、草上的小水珠都接近于球形；不小心打碎了体温计后，里面
的水银掉到地上，小水银滴也呈球形。另外我们也可以表演一个小魔术，在
一杯水里，小心地把一枚针水平放置在水面上，针浮在水面上而不沉于杯，
并且在针下面的水面上形成一个凹面。如果做得相当熟练，你甚至可以用钮
扣、小巧的平面形金属或硬币来代替针。所有这些现象都与表面张力有关。
那么，什么是表面张力呢？原来液体与气体相接触时，会形成一个表面
层，在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力，它能使液面自动收
缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。处于液体表面层中的分
子比液体内部稀疏，所以它们受到指向液体内部的力的作用，使得液体表面
层犹如张紧的橡皮膜，有收缩趋势，从而使液体尽可能地缩小它的表面面积。
我们知道，球形是一定体积下具有最小的表面积的几何形体。因此，在表面
张力的作用下，液滴总是力图保持球形，这就是我们常见的树叶上的水滴按
近球形的原因。
表面张力的方向与液面相切，并与液面的任何两部分分界线垂直。表面
张力仅仅与液体的性质和温度有关。一般情况下，温度越高，表面张力就越
小。另外杂质也会明显地改变液体的表面张力，比如洁净的水有很大的表面
张力，而沾有肥皂液的水的表面张力就比较小，也就是说，洁净水表面具有
更大的收缩趋势。
不光液体与气体之间的表面层，液体与固体器壁之间也存在着“表面
层”，这一液体薄层通常叫做附着层，它也一样存在着表面张力。这一表面
张力决定了液体和固体接触时，会出现两种现象：不浸润和浸润现象。水银
掉到玻璃上，是呈现出球形，也就是说，水银与玻璃的接触面具有收缩趋势，
这种现象为不浸润。而水滴掉到玻璃上，是慢慢地沿玻璃散开，接触面有扩
大趋势，这种现象为浸润。水银虽然不能浸润玻璃，但是用稀硫酸把锌板擦
干净后，再在板上滴上水银，我们将会看到，水银慢慢地沿锌板散开，而不
再呈球形。所以说，同一种液体能够浸润某些固体，而不能浸润另一些固体。
水银能浸润锌，而不能浸润玻璃；水能浸润玻璃，而不能浸润石蜡。
浸润和不浸润两种现象，决定了液体与固体器壁接触处形成两种不同形
状：凹形和凸形。
现在我们就明白了前面介绍的小魔术中，硬币不沉没的原因了，它实际
上利用了水具有很大的表面张力的性质和不浸润现象。如果我们事先把硬币
表面涂上一层油，硬币就可以轻易放在水面上而不会沉没。在工程技术和日
常生活中，人们经常利用水不溶解油这一特性。像在纸伞上涂油漆做成雨伞；
给金属器材涂机油，防止因水引起生锈；甚至在选矿方法中，也用到水不浸
润涂了油的物体的性质。浮选矿法就是把砸碎的矿石放到池中，池里放上水
和只浸润有用矿物的油，使它们涂上薄薄一层油，再向池中输送空气，这样
气泡就附在有用矿物粒上，把它们带到水面，而与岩石等杂质分离开。
表面张力产生的一个重要现象是毛细现象。也就是说浸润液体在细管里
上升，不浸润液体在管里下降。我们可以很容易做一个小试验来观察这种现
象。把细玻璃管放入盛水的槽中，这时水很快从细玻璃管中上升，管中的水

平面比水槽中水平面还要高，管子越细，上升越高，并且管中水面是凹形的。
若水槽中放的是水银，情况则恰恰相反，管中液面低于水槽中水银的平面。
浸润液体为什么能在毛细管中上升呢？原来，浸润液体与毛细管内壁接
触时，引起液面凹形，而表面张力是沿着液面切向作用的，所以沿着管壁作
用的表面张力形成一个向上的合力，使得管内液体上升，直到表面张力的向
上拉引作用和管内升高