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跳舞的葡萄干:浮力

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  (圖源:pixabay)

  你需要一罐汽水和一把葡萄干。

  現在,請你打開汽水,倒入玻璃杯,然后把葡萄干撒入汽水里。接下來請睜大眼睛仔細觀察。

  我并不是在教你做什么創意飲品。因為要不了幾分鐘,你就能看到葡萄干渾身吸滿了氣泡,向上浮了起來,可是剛浮上去就又掉了下來。如此反復的上上下下的運動,看起來就像在汽水里樂此不疲地跳舞。

  葡萄干沒有馬達,更沒有人碰它,為什么會這么活躍地跳舞呢?答案都在汽水里。夏日午后,你一定很想來一瓶冰鎮汽水,就是因為汽水里藏著很多二氧化碳,這些氣體進入口腔后會帶給你爽快而清涼的口感(因為它離開口腔會帶走熱量)。而當這些包含二氧化碳的氣泡遇到了皺巴巴的葡萄干,就會紛紛被吸引到葡萄干的表面。這樣一來,原本沉在水底的葡萄干就像被穿上了充氣救生衣,輕盈地浮了起來。而浮上去以后,氣泡破裂,被迫脫下救生衣的葡萄干便只能再次沉入水底。

  發現了嗎?這個神奇小實驗的奧秘就是汽水里的氣泡,當氣泡附著在葡萄干上時,大大拓展了葡萄干在水中的體積,所以改變了葡萄干在水中的狀態。這場重力和浮力的擂臺賽,為我們帶來了一場神奇的視覺盛宴。

  浸入液體中的物體都會受到來自液體的托舉力,這便是浮力。物體受到的浮力與它受到的重力方向相反,浮力與重力的相對大小,決定了物體在水中的狀態。重力更大時物體沉底,浮力更大時物體上浮。吸滿了氣泡的葡萄干,正是因為獲得了更大的浮力,才能浮向水面。

  我們都知道,物體受到重力的大小與本身的質量有關。那么浮力的大小呢?來自古希臘的科學家阿基米德發現,物體所受浮力的大小,恰好等于它所排開液體的重力。這個定律被稱為浮力定律,又叫阿基米德定律。有了這樣的規律,一切就解釋得通了。輕盈的氣泡體積膨大,但是重量卻很小,包裹在葡萄干上后,使葡萄干排開水的體積大大增加,所受的浮力也就更大,當這個力大于重力時,便能輕快地浮起來。

  當然,偉大的阿基米德定律可不只是為了讓葡萄干跳舞的,海面上那些大大小小的船只,都是在這個原理的指導下揚帆遠航。其中就包括號稱“永不沉沒”的“泰坦尼克號”。想讓這艘載重量近5萬噸的豪華巨輪漂浮于大海,同樣需要給它穿上“救生衣”。在泰坦尼克號的底艙,有16個密閉防水隔艙,它們就相當于葡萄干表面的氣泡。其中大量的空氣大大增加了輪船的排水量,為它帶來更大的浮力。

  不過,浮力的大小不單單與排開液體的體積有關,還受到液體密度的影響。液體的密度越大,物體受到的浮力就越大。比如,有很多鹽分的海水密度就要比純水的密度大,所以,同一個物體,如果完全沉浸在水中,那么它在海水中所受的浮力比在純水中更大。

  哦對了,據說浮力定律是阿基米德在洗澡的時候發現的,他看著溢出的洗澡水靈感乍現,才有了經典的阿基米德定律!

  參考資料:

  1. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B5%AE%E5%8A%9B

  2.「英」海倫 · 切爾斯基 《茶杯里的風暴》 北京聯合出版公司

  3. TED 《阿基米德的真實的尤里卡故事》

  作者:比鄰星

  審稿: 張軒中(中國科普作家協會會員,中國物理學會會員)