基本概念
流体力学
流体动力学
物理
水
引言
你有没有好奇为什么当你把一颗钢钉扔进水里的时候，它会像石头一样下沉，但是尽管钢铁巨轮比一颗小钉子重得多，却能漂浮在海面上呢？
答案存在于水被放入其中的物体排开这个事实当中。当你在浴缸里洗澡时，你可能会注意到这一点。当水被一个物体排开时，水会在物体上施加一个跟物体的重力相等的反力（感觉原文的说法很不严密，浮力应该等于排开水的重力，而非物体的重力。要使这个说法成立，需要加上物体浮在水面这一条件），这被称作阿基米德定律。就是这个力使物体漂浮起来。
背景
在2,200多年以前，一位名叫阿基米德的科学家坐在他的浴盆里发现：当一个物体被放在水中的时候，水会移开——它被排出了。如果物体漂浮着，那么被排出那部分水跟物体是一样重的。有一种力会在物体排开水的时候，作用于物体上，这种力称做浮力。由水施加的这个向上的作用力的大小等于被排出的水的重力。因此，如果一个物体只排出一点点水，这点水的重力很小，那么浮力也很小。相反，如果物体排出大量的水，那么将会有一个很大的向上的浮力。一个物体是下沉还是漂浮取决于它的密度和它排开的水是否能够产生足够的浮力。铝箔“船”在它下沉前能有多密实？
材料
毛巾（或纸巾）
大的、干净的碗或其它容器
水
铝箔
公制单位的尺子
笔
剪刀
马克笔
铁锤或木槌
准备
在一个硬的工作台上铺开毛巾或纸巾。在碗或容器中装入大概三分之二的自来水，然后把它放在毛巾或纸巾上。
量出边长为25厘米（cm）的方形铝箔。把它剪下来。这将是你测试的金属“船”。
用马克笔在铝箔方形的四个角上做标记。
小心：在后面的实验中你将要用到铁锤。确保捶打时所在的表面足够承受锤子的力，而且不会被损坏。
步骤
把方形铝箔的四个角拉到一起然后揉成一个松散的球，球的直径大概为6cm。把铝箔弄皱使得被标记的四个角重合，且标记处清晰可见。
轻轻地把球放入装水的碗中，调整一下它的位置使得标记的角在球的顶部，这样将会防止球填满水。立即观察球。它下沉还是漂浮？
弯下身来使你的眼睛跟铝箔球在同一水平线，然后快速的观察球在水面下方的部分有多少。水面下方的球大概是10%，25%，33%，50%，67%，75%，90%还是100%？
把球从碗里拿出来，抖出里面的水，把它在毛巾上擦干。
现在把球揉得更紧一些，做成直径大概为5cm的球。如果你把球揉得太紧了，只要小心地把铝箔拉开一些，得到想要的尺寸就好。
再一次慢慢地把球放入水中，仍然使标记的角在上面。球下沉还是漂浮？球在水面下方的比例是多少？把它拿出来，抖出里面的水然后将它擦干。
继续把球揉得更小更紧，然后测试当它变得更小时它是否漂浮（就像你之前做的那样）。继续测试更小的直径，直到球完全下沉。尝试测试这些直径（或是大致相似的）：4.0cm，3.0 cm，2.5 cm，2.2 cm，2.0 cm，1.8 cm，1.6 cm。如果只用手的力量很难把球捏得更小，那么就小心地用铁锤或木槌把铝箔敲成一个小球（或者尽量接近一个小球）。对于你测试的每个直径，被淹没的部分占球的百分之多少？
球在直径为多少时沉入底部？你觉得沉没的球密度最大还是最小？球直径为多少时球的密度跟水的密度大致相等？（什么时候球几乎完全或完全浸入水中但是并没有完全沉入水底？）
扩展实验：重新剪下两片边长为25cm的方形铝箔片，然后重复这个实验。你测试的所有铝箔得到的是一样的结果吗，还是有很多不同？
扩展实验：你可以再次重复这个实验，但是这次在天平上称出铝箔片的重量并把它的质量换算成克。对每个直径计算球体的体积，用球的体积等于三分之四乘以π（3.14）再乘以半径的立方计算。用质量除以体积，计算每个直径的铝箔片的平均密度。铝球的密度为多少时会下沉？铝箔球的密度为多少时跟水的大概相等？对每个球的直径，排出的水的质量是多少？为了得到更准确的结果，继续重复测试另外的边长为25cm的铝箔。
观察和结果
随着球直径的减少，球越来越多的部分到水面以下了吗？当球的直径大概为2.5cm时，球的大约一半在水面以下吗？当球的直径大概是1.6 cm或更小时，整个球都沉到水底了吗？
如果一个物体在水中漂浮，那么被排开的水的重量跟物体相同。因此，只要球浮在水面，即使直径减小，它排开的水量应该不变，所以浮力应该保持相同。然而，球的密度一直在变化——它随着球直径的减小而增加。
密度是单位体积的质量——它描述了一定体积的空间内有多少“东西”。当铝箔球的直径为6.0cm时，球应该很好地漂浮着，因为由于球内部有空气，它的密度比水低，这与钢船通过在船体内含有空气而降低密度从而可以漂浮是一样的。只要船排开足够的水来产生强大的浮力，它就可以保持漂浮在水面上——即使它装载着货物。随着直径降低，密度增加，球应该下沉得越来越多。当它的直径大概为1.8cm或1.6cm时，你可能会观察到它的90%（几乎全部）都在水下。这时球的密度大概跟水的相等。直径大约为1.6cm或更小时，球应该完全下沉了，表明它的密度比水的大，因此克服了浮力。
清理
把水倒入下水道，回收利用铝箔。
（翻译 刘夏，审校 曾诚）
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