公元前245年,赫農(nóng)王命令阿基米德(Archimedes)鑒定一個皇冠。赫農(nóng)王給金匠一塊金子讓他做一頂純金的皇冠。做好的皇冠盡管與先前的金子一樣重,但國王還是懷疑金匠摻假了。
阿基米德在洗澡時發(fā)現(xiàn)浮力定律
他命令阿基米德鑒定皇冠是不是純金的,但是不允許破壞皇冠。這似乎是件不可能的事情。在公共浴室內(nèi),阿基米德注意到他的胳膊浮到了水面上。這時他腦中閃現(xiàn)出一絲模糊的想法。他把胳膊完全放進水中全身放松,這時胳膊又浮到水面上。
他站了起來,浴盆四周的水位下降;再坐下去時,浴盆中的水位又上升了。
他躺在浴盆中,水位則變得更高了,而他也感覺到自己變輕了。他站起來后,水位下降,他則感覺到自己重了。一定是水對身體產(chǎn)生向上的浮力才使得他感到自己輕了。
他把差不多一樣大的石塊和木塊同時放入浴盆,浸入水中。石塊下沉到水里,但是他能感覺到石塊變輕了。而且,他必須要向下按著木塊才能把它完全浸沒水中。這表明在下沉的情況下,浮力與物體的排水量(物體體積)有關(guān),而不與物體重量有關(guān)。相同質(zhì)量下,物體在水中感覺有多重一定與它的密度(物體單位體積的質(zhì)量)有關(guān)。
阿基米德因此找到了解決國王問題的方法,問題關(guān)鍵在于密度。如果皇冠里面含有其他金屬,它的密度會不相同,在重量相等的情況下,這個皇冠的體積是不同的。
把皇冠和等重的金子放進水里,結(jié)果發(fā)現(xiàn)皇冠排出的水量比金子的大,這表明皇冠是摻假的。
最重要的是,阿基米德發(fā)現(xiàn)了浮力原理,即水對物體的浮力等于物體所排出水的重量。
阿基米德發(fā)現(xiàn)的浮力原理,奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。傳說希倫王召見阿基米德,讓他鑒定純金王冠是否摻假。
他冥思苦想多日,在跨進澡盆洗澡時,從看見水面上升得到啟示,作出了關(guān)于浮體問題的重大發(fā)現(xiàn),并通過王冠排出的水量解決了國王的疑問。
在著名的《論浮體》一書中,他按照各種固體的形狀和比重的變化來確定其浮于水中的位置,并且詳細闡述和總結(jié)了后來聞名于世的阿基米德原理:放在液體中的物體受到向上的浮力,其大小等于物體所排開的液體重量。從此使人們對物體的沉浮有了科學(xué)的認識。
阿基米德原理適用于全部或部分浸入靜止流體的物體,要求物體下表面必須與流體接觸。
如果物體的下表面并未全部同流體接觸,例如,被水浸沒的橋墩、插入海底的沉船、打入湖底的樁子等,在這類情況下,此時水的作用力并不等于原理中所規(guī)定的力。
如果水相對于物體有明顯的流動,此原理也不適用(見伯努利方程)。魚在水中游動,由于周圍的水受到擾動,用阿基米德原理算出的力只是部分值。這些情形要考慮流體動力學(xué)的效應(yīng)。水翼船受到遠大于浮力的舉力就是動力學(xué)效應(yīng),所循規(guī)律與靜力學(xué)有所不同。