摘要：物體在水面或水中都受到各種作用力，這些力也直接關(guān)系著其平衡與沉降。影響這些力大小的關(guān)鍵因素是排水量，文章通過(guò)受力分析，從阿基米德原理、替換原理來(lái)剖析排水量的深層含義。

　　關(guān)鍵字：排水量,體積,平衡,替換

　　排水量是物體排開(kāi)水的質(zhì)量，它與當(dāng)前的生活、軍事聯(lián)系緊密。在湖泊和河流中航行的船只，在海洋里演習(xí)的艦艇，以及潛在水面以下的潛艇，它們能否正常工作首先就與其排水量有關(guān)。掌握好排水量的本質(zhì)特點(diǎn)，能夠快速的解決很多實(shí)際問(wèn)題。

　　先分析一下物體在水中的受力狀態(tài)，從而得出排水量的一些基本特性。

　　一、物體在水面下受到的作用力

　　如圖1，物體淹沒(méi)在水中，在其上方，有水對(duì)其向下的作用力P1，在其下方有水對(duì)其向上的作用力P2，哪個(gè)作用力更大呢?這里可以引入靜水壓強(qiáng)的概念，可以了解到，同等條件下，在水中越深的地方受到的靜水壓強(qiáng)越大。而物體前后左右水深相同，于是前后左右的靜水壓強(qiáng)可以對(duì)應(yīng)抵消，所有只有向上或向下的作用力。如果圖1是正方體，根據(jù)靜水壓強(qiáng)的基本方程：其實(shí)這個(gè)垂直向上的力就是物體受到的浮力。

　　二、物體在水面上受到的作用力

　　物體浮在水面上，同樣受到上、下兩個(gè)面的力，不過(guò)這次其上受到的是大氣壓力，其下才為靜水壓力，根據(jù)同樣的方法，利用靜水壓強(qiáng)的基本方程：那么物體上、下面的靜水總壓力為：則壓力差就是當(dāng)然，這個(gè)垂直向上的壓力也是物體受到的浮力。

　　三、船艦排水量

　　1、阿基米德原理

　　對(duì)于圖1，如果水中沒(méi)有物體，那么物體所處位置必定被水填充，而且保持平衡。沉于水下的正方體物體體積與對(duì)應(yīng)填充水體的體積相等，則求用來(lái)填充物體的這部分水體的體積為：由上式求得的水的體積，可得此部分水體的重力為如果水面上沒(méi)有物體，那么用來(lái)填充物體所占水面以下空間的水體體積為同樣可求得該部分水體的重力為：

　　①③式相同的結(jié)果、②④式相同的結(jié)果可以說(shuō)明一個(gè)結(jié)論：物體處于水面下或浮于水面上時(shí)，水體作用于物體的總壓力只有一個(gè)鉛垂向上的力，其大小等于該物體所排開(kāi)的那部分水的重力，這就是阿基米德原理。

　　2、替換原理

　　前面為了計(jì)算方便，都是以正方體為模型來(lái)進(jìn)行分析的，但無(wú)論什么形狀(如圖3普通船艦)，都是滿足的。

　　當(dāng)然，這里可以更便捷的從替換的角度來(lái)進(jìn)行分析。

　　在靜水中取一塊任意形狀的水體作為研究對(duì)象，那么這個(gè)研究對(duì)象受力平衡，包括水平方向平衡和鉛垂方向平衡。研究對(duì)象在鉛垂方向受到浮力和自身重力，鉛垂方向平衡說(shuō)明浮力等于自身重力，即F研浮 = G水。

　　設(shè)想把這個(gè)研究對(duì)象(任意形狀的水體)取出，用相同形狀、相同體積的其他物體在原來(lái)的位置進(jìn)行替換，由文章前兩大點(diǎn)的論證可以引申，替代物在水面上、下受到的作用力必然和研究對(duì)象相同，所以替代物受到的浮力也與研究對(duì)象受到的浮力相同，F(xiàn)物浮 = F研浮。即使物體在水下處于更深(或更淺)的位置，物體上、下面受到的靜水壓力雖然會(huì)增大(減小)，但根據(jù)之前提到的靜水壓強(qiáng)的基本方程可知，靜水壓強(qiáng)(靜水壓力)隨水深H的增大而呈一次比例增大關(guān)系，所以其壓力差(浮力)不會(huì)變化。

　　結(jié)合以上兩個(gè)公式F研浮 = G水 與 F物浮 = F研浮，可知F物浮 = G水，即物體沉于水面下時(shí)受到的浮力等于其排開(kāi)的相同體積的水的重力，如果在水面上，同樣可得知其浮力等于排開(kāi)的那部分水體的重力。

　　根據(jù)以上分析可以說(shuō)明，物體在水中受到的浮力大小，與物體形狀沒(méi)有關(guān)系;與物體沉沒(méi)于水面下的深淺也沒(méi)有關(guān)系，只與排水量有關(guān)。

　　3、正確理解排水量

　　在軍事和生活生產(chǎn)中，潛艇的狀態(tài)如圖1，可完全沉于水面下;其它船艦如圖2，浮于水面上。在這里特別注意的是，排水量為物體排開(kāi)水體的重量，這個(gè)重量意為質(zhì)量而不是重力。因?yàn)榕潘康膯挝粸橘|(zhì)量的單位千克(kg)或噸(t)，而不是牛(N)或千牛(kN)，比如我國(guó)的遼寧號(hào)航母，標(biāo)準(zhǔn)排水量為57000噸。

　　那么物體在水中是上浮還是下沉呢?什么因素決定物體的上浮或下沉呢?

　　無(wú)論物體沉于水面下(圖1)，還是物體浮于水面上(圖2)，其受到的靜水總壓力總是鉛直向上的浮力。當(dāng)然，不管哪種情況物體總還會(huì)有自身重力，可以設(shè)想物體在水面下時(shí)(如圖1)，如果：

　　⑴ 重力大于浮力時(shí)G>P，物體下沉最終到水底，河床底部或容器底部給予下沉物體一個(gè)新的向上的阻力F，物體重新得到平衡G=P+F，物體靜止于水底。

　　⑵ 重力等于浮力時(shí)G=P，物體將懸浮于水體中。

　　⑶ 重力小于浮力時(shí)G

　　根據(jù)以上三點(diǎn)可知，物體的沉浮決定因素不是排水量，而是物體排開(kāi)的那部分水體的重力(即浮力F浮=G水)與物體自身重力的大小關(guān)系。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　由以上論述可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是船艦還是其它物體，其在水中是上浮還是下沉，其最終沉到水底還是浮于水面，其重力、排水量與浮力的關(guān)系和作用，都有緊密的聯(lián)系。同時(shí)，可以認(rèn)識(shí)到，船體能浮于水面的本質(zhì)原因不是其底部的弧面形狀，底部弧形除了是適應(yīng)流水線的要求外，也增加了自身體積，隨自身重力作用和吃水深度(即船艦沉入水下部分的最大高度)增加，從而增大了排水量，加大了船體所受到的浮力。浮力的增大才保證一定重量的船艦?zāi)芨∮谒妗?/p>

　　當(dāng)前，排水量應(yīng)用還很廣泛，比如隱形潛艇設(shè)計(jì)方面，排水量的大小也直接影響著潛艇的隱形效果。在今后的發(fā)展中，排水量的作用將會(huì)更加重要。