【物理史話】浮力史詩大片

開篇:逝水流年

文人騷客常哀嘆“年華像水一樣流逝,永不回返”,可能源於人類最早應用浮力的一項發明——水鍾(Water clock),人類根據流水來計時。

水鍾,理工人的另類詩歌。

水鍾主要有“受水型”和“洩水型”兩種,但都需要用一個顯示水位高度變化的浮子,配以指標顯示時間的變化。一般是一個基座配一個長條標杆。

簡圖

但顯然的弊端是,隨著水位的降低,水壓變小,水流的速度會越來越慢,浮子高度的變化就會不均勻。所以水鐘的技術不斷的被革新,設計日益精巧。

公元665年,唐朝,呂才制(參考文獻《事林廣記》《六經圖》)圖片來自網路

赫羅菲拉斯(Herophilus,公元前335-280)發明的一種專門用於脈搏計數的水鍾(圖片來自網路)

水鍾最早可追溯到公元前十六世紀,屬於古埃及幾大發明之一。大約在公元前6世紀傳入中國,古人稱之為“刻漏”、“漏壺”。

那時,水鍾或者漏壺就代表了時間。

《周禮》(成書約在兩漢之間,公元元年前後)第35《夏官司馬第四·候人/司右》提到利用漏壺計時,更換值班的人,漏壺有專人看守,負責區分白天黑夜的長短,冬天,還需用火燒水。

所以,除了日晷、沙漏,在機械鐘錶之前,還有一種古老的計時器——水鍾。

時光匆匆如流水,從水鐘的浮子開始,正式開啟浮力史詩大片。

篇一:水上漂

《世本》雲“古者觀落葉因以為舟”,古人看到落葉在水上浮動,便也想如落葉一般“水上漂”。人類的發明都源於“敢想”。所以常說“世上還有想不到的事情,沒有做不到的事情”。

1 最老獨木舟

雖然是獨木,但已成舟,舟即為船。古人言舟,漢人言船。

河姆渡遺址,距今約7000年,1973年開始挖掘,一直是中國南方新石器時代最早遺址的首席代表。

直到,一個叫鄭苗的年輕人出現。

1985年左右,浙江蕭山城區西南,城廂磚瓦廠。初中生鄭苗經常獨自一人來到這,因為他總能在這兒發現一些石器、骨器之類的“寶物”。

1990年,鄭苗成了浙江廣播電視大學的學生。一天,鄭苗把撿來的“寶物”給老師看,老師意識到這些可能是重要的文物,馬上電話給蕭山市文物管理委員會。文物館的人看到後第一判斷是史前文物。隨後跟隨鄭苗來到了磚瓦廠。

這年,也就是1990年,距今約8000年的跨湖橋遺址首次被挖掘。河姆渡成了相差千年的老二。

2002年,跨湖橋遺址的第三次挖掘,驚現了迄今為止世界上最早的獨木舟,稱為“中華第一舟”。依據是,標本經過國際上通用的碳14放射元素衰變測定後,確定達8000年之久。

(圖片來自網路)

發現時,距離舟頭一米處,有一些燒焦的痕跡,判斷它是採用火焦法用整棵馬尾松製作而成。火焦法,一種遠古造船法,首先用火燒木頭,再用石錛挖鑿焦炭層,最後用礪石打磨光滑。

我們來感受一下跨湖橋遺址的歷史到底有多悠久。

明朝人羅頎的《物原》一書中提到“燧人氏以誇包濟水,伏羲氏始乘桴”。“誇包”意為葫蘆,“桴”意為筏。伏羲,推測距今約8000年左右,和上述遺址年代接近。

《周易·繫辭下》雲“黃帝、堯、舜垂衣裳而天下治,蓋取諸乾、坤。刳木為舟,剡木為楫,舟楫之利,以濟不通,致遠以利天下,蓋取諸渙。”加上前一句,是因為很多網文都把第二句錯安在了伏羲身上,實際上說的是“黃帝和堯舜”時代。堯舜時代距今約4200年左右。

古籍《世本》捲上記載“共鼓貨狄作舟”,共鼓和貨狄為黃帝手下的能人,傳說一日山洪爆發,二人被洪水沖走,危險之時,緊緊抱住了一截中空的半圓木頭,發現洪水無論怎麼上下翻動,這截木頭總是浮在水面。二人就這樣漂到了黃河的另一邊,怎麼回家?他倆現學現用,利用這半截木頭返回了部落,然後開始作舟。

事情真假無從考證,但距今8000年的獨木舟已經挖掘出來了,何況距今6000年的黃帝時代?

人類水上漂的智慧層出不窮,不僅僅利用浮木。

比如葫蘆做的“腰舟”,剛剛提到的河姆渡遺址就發現了葫蘆和葫蘆種子,過河的時候腰間掛幾個葫蘆自然就浮起來了,天然的游泳圈。2012年,有一則新聞,和這個腰舟,有異曲同工之處,不過新聞中的老爺子用的不是天然的葫蘆,而是人造的礦泉水瓶。

(圖片來自網路)

而後,又有用獸皮充氣做浮具。

世界各處的獨木舟歷史也都較早。瑞士附近發現了新石器時代的獨木舟,英國挖掘了一支木漿,測算距今約7500年。荷蘭發現了距今6300年的獨木舟等等。但都比跨湖橋的晚。

人類的起源離不開緩緩而流的“母親河”,獨木舟的發明,基本在各個文明部落均有發現。人類利用浮力渡水,是自然衍生出來的智慧。

2 浮橋的故事

我國第一座有文字記載的浮橋竟是源於愛情。

“大邦有子,俔天之妹。文定厥祥,親迎於渭。造舟為樑,不顯其光。

——詩經《大雅·大明》

周文王姬昌,封神榜裡拜姜子牙為師的著名君主,他在位期間,周朝極其昌盛,並創作了《周易》。當年他還是西伯侯時,年輕英俊的姬昌在渭水之濱遇到了美女太姒,驚為天人,一見傾心,遂決定迎娶太姒。

公元前1134年,娶親隊伍到了渭水過不去了,怎麼辦?從來都是“英雄難過美人關”,“美人面前皆成英雄”。

姬昌即刻在渭水上“造舟為樑”,用舟架設了一座浮橋。娶親順利,兩口子恩愛萬分,太姒一連給姬昌生了十個兒子,老大就是《封神榜》裡的伯邑考,老二為周武王。此之浮橋堪比牛郎織女之鵲橋。

第一座有文字記載的軍用浮橋,便是赫赫有名的蒲津橋。

公元前257年,秦昭襄王五十年(影視劇《羋月傳》中羋月兒子的原型,不過此時,宣太后已經被奪權了,突然發現一些影視劇對普及歷史還是有些作用的),秦國與晉國對戰,在黃河上“初作河橋”,來自《史記·秦本紀》記錄。

隨後歷代皆在蒲津關架浮橋,仍叫做“河橋”。唐朝鼎盛時期,唐玄宗下令把竹索浮橋改建成鐵索浮橋,始作“蒲津橋”。後面在永濟縣傳說的打撈鐵牛,推測便是建造鐵索浮橋時的鐵牛。

我國浮橋記錄位於世界前列,其他地方就不再敘述。

不得不說的人工浮島

浮橋奇觀——位於祕魯喀喀湖的原住民烏魯族人,在1000多年前為了躲避印加人的侵略,在湖上建起了人工蘆葦浮島,僅僅用一層又一層的蘆葦草鋪制而成,目前仍然有居民居住。

(圖片來自網路)

篇二:考工智慧

公元前380年左右,戰國時期,齊國。

齊國國都為臨淄城(今山東省淄博市),齊桓公田午建立了一所高等學府,較為特殊,因其經營形式是官方舉辦、私家主持,可以說是公辦民企形式,堪稱世界上第一所。

位置就在臨淄城“稷門”附近,所以稱之為“稷下學宮”。

這所學府了不得,孟子、荀子兩位大師都先後在此駐紮過。尤其荀子,曾三次任職過校長,那時不叫校長,稱“祭酒”。

所謂諸子百家爭鳴,源於在稷下言論之自由。凡是思想開放自由之時,人類的思想火花便可以不斷的碰撞。來到稷下的文人們,不分國界、年齡、資歷,想說啥就說啥,想支援什麼學派就支援什麼學派,自己創作一個學派也行,“百花爭鳴”何其壯觀。

而一但思想淪為統治階級的工具,人類的發展便幾乎停滯不前。比如號稱黑暗時期的歐洲中世紀。

等等,話題好像跑偏了,今天要說的是浮力。

在這裡,學者們寫成了一本《考工記》,是我國第一部有關手工業技術規範的官書,若是詳讀,會大為驚歎。

這裡選取幾處應用浮力知識的文段。

其一:

《輪人》中闡述製造的車輪必須經得起圓規、曲尺、水、垂線、黍、稱六種檢驗,才能稱的上是國家工藝水平。其中“水”的檢驗原文說“水之以眡其平沈之均也”,意思是“用水來測量輪子沉入水中的深度是否相等”,就是說輪子入水的深度要均平如一 。

秋時期的車模型(圖片來自網路)

還提到製造車輻時,要“揉輻必齊,平沈必均”,車輻,就是自行車上的車輻條,一般為三十條,車輻製成以後,要平放在水中檢測各處浮沉程度是否一致,以此檢測每條車輻的質量是否均勻。

(圖片來自網路)

其二:

《矢人》中在如何製作箭矢的羽毛時提到“水之,以辨其陰陽,夾其陰陽,以設其比。夾其比,以設其羽。

意思是說,將箭桿放入水中,根據箭桿各部分在水中的浮沉程度,判定各部分比重情況,根據這個決定出箭各部分的比例,然後再按比例來設計箭頭的刃和箭尾的羽毛。古人利用浮沉判定質量分佈情況,簡單有用。不同的箭桿裝設的羽毛大小和位置各有區別,這樣精湛和嚴謹的工藝也足以讓我們敬佩了。

其三:

《玉人》“慄氏為量,改煎金、錫則不秅,不秅然後權之,權之然後準之,準之然後量之。

慄氏量器為一種度量衡,包括鬴、豆、升三量,是用銅、錫合金而成的青銅製品,對大小、容積、重量三個量都有確定的要求,如何確保達到規定的要求?那就是“權之、準之、量之。

其中的“準之”一直是今人著重研究的命題之一,一種說法如下:“權之”,即為稱其重量,“準之”即浸沒至水中,用排水法測其體積,然後算其比重,與預先設計的模型進行計算比較,確定是否符合規定。

按說這個和浮力關聯不大,可一提到“排水法”,馬上讓人想到了此時一百多年後的阿基米德。

篇三:阿基米德的命題

公元前287年,阿基米德出生在西西里島,就是莫妮卡主演的《西西里的美麗傳說》裡的那個西西里。

關於王冠的故事。

這是一個人盡皆知的故事,關於阿基米德為了鑑別王冠是不是純金的,在洗澡時,因為看到自己坐在澡盆子裡溢位的水,就此發現了浮力原理。

(圖片來自網路)

但那時候牛頓還沒有被蘋果砸到,彈簧測力計也沒有,甚至於連力的概念也沒有被準確定義。初中物理課本中阿基米德原理的內容是“浸在液體中的物體受到的浮力大小等於物體排開的液體所受的重力。

這不禁讓人懷疑,阿基米德是怎麼得出的浮力原理?聯想到他還同時發現了槓桿原理,推測他當初檢測王冠是不是純金的應該是這麼做的:將和王冠相同重量的黃金放在槓桿兩端,使之平衡,然後放入浸沒於水中,發現王冠一端翹起來,判定王冠體積大,說明不是純金的。

等等,阿基米德的判斷完全正確嗎?

阿基米德的時代可能還不知道黃金飾品可以做成空心的。否則,王冠也可能是純金的,只是部分裝飾做成了空心的,所以體積會偏大。

但這些都只是傳說。

真正儲存下來的證據是阿基米德寫的《論浮體》。

如果你親眼看了這本書,你一定不想承認他是個物理學家了,事實上他的確是個數學家。真正的物理學是從伽利略做實驗開始的。

“命題3:對於那些與流體在相同體積下具有相同重量的固體來說,如果被放入流體中,將會沉在流體中既不浮出也不會沉得更低。”(來自《論浮體1》,說的是懸浮)

“命題4:如果把比流體輕的固體放入流體中,它將不會完全沉入,其中將有一部分浮出流體表面。”(來自《論浮體1》,說的是漂浮)

“命題1:如果一個比流體輕的固體在流體中處於靜止狀態,則固體重量與同體積流體重量的比等於固體沉入流體部分重量與整個固體重量的比。”(來自《論浮體2》,說的是漂浮物體露出部分和排開液體部分的比例關係)

以上引號部分,來自《論浮體》原文。那麼阿基米德是怎麼證明命題的呢?一定出乎你的意料,全篇沒有任何實驗說明,全是數學方法的論證!比如:

奔著看物理知識的你是不是被證暈了?可以推薦給你周圍的數學老師看看了。

為什麼會這樣?阿基米德時期是什麼時代呢?公元前469年,蘇格拉底出生,柏拉圖是蘇格拉底的學生,亞里士多德是柏拉圖的學生。亞里士多德去世的時候,著名數學家歐幾里得差不多4、5歲,歐幾里得早期也在柏拉圖學園學習過,他有兩個學生埃拉託塞和卡農,是阿基米德的老師。繞暈了吧,總之那個時代牛掰的人物都用辯證法,而不是實驗。

那天上課和學生一起遐想,月球上同樣情況下水對物體浮力的大小又將如何變化?太空中,水會對放入其中的物體產生浮力嗎?記得電影《太空旅客》就有女主在太空艙游泳突然遭遇完全失重的場面。腦洞大開時,科學會變得更有趣。

篇四:等效替代

“鄧哀王衝字倉舒,少聰察歧嶷,生五六歲,智意所及,有若成人之智。時孫權曾致巨象,太祖(曹操),欲知其斤重,訪之群下,鹹莫能出其理。衝曰:‘置象大船之上,而刻其水痕所置,稱物以載之,則校可知矣’。太祖大悅,即施行焉。

——《三國志·魏書》

時為204年,曹衝稱象。

石頭雖小,聚眾仍可平衡於巨象。

篇五:誰主沉浮?

1 浮起來的鉤碼

皮球掉進洞裡的故事都知道,在樹洞里加水,皮球就能浮起來,而後伸手即可得。每隔幾年,也會有一頭水牛掉進井裡的新聞,然後往井裡灌水,水牛浮起獲救。皮球和水牛好比是下圖中的乒乓球,它們屬於自然能浮之物。

但若是浮不起來的金屬呢?輪船是鋼鐵做的,浮起來是因為做成了空心的,增大了體積。人做不成空心的,腰間掛著葫蘆,或者挎著游泳圈就能浮起來。所以如果想讓實心的金屬塊浮起來,怎麼做?給它配個葫蘆。這就叫做浮力起重。

2 浮力起重

篇二中蒲津橋又一次出現在浮力史詩中。

唐朝時期建的鐵索浮橋,曾設重數萬斤的鐵牛作為岸上的繫纜柱,共八頭。宋慶曆年間(公元1041—1048年),河水暴漲,壞了橋,鐵牛也進了河中。過了20餘年,官家要修橋,找能人撈鐵牛。一僧人懷丙想出利用船舟浮力起重的辦法。水旱時,兩隻大船裝滿石頭,兩船之間架一橫樑系鐵鏈鉤住鐵牛。水漲時,將石塊拋入河中。鐵牛在舟船浮力帶動下被拉出水面。

原文:

“河中府浮樑,用鐵牛八維之,一牛且數萬斤。後水暴漲絕樑,牽牛沒於河。募能出之者,懷丙以二大舟實土,夾牛維之。用大木為權衡狀釣牛。徐去其土,舟浮牛出。

——《宋史·方技傳》

《宋史》成書於元朝(1271-1368)末年。

現在常用的沉船打撈技術為“浮筒打撈法”。

3 《酉陽雜俎》

《酉陽雜俎》,筆記式小說集,唐代段成式寫的荒誕之奇書。不熟悉?他和李商隱、溫庭筠是好朋友。《酉陽雜俎》不知道?蒲松齡的《聊齋志異》文體是由這本書發展起來的。

裡邊有一則故事,主人公葉限,完全是灰姑娘的前世。唐代時期為618年-907年,將灰姑娘故事收錄到《格林童話》的格林兄弟大概在1786—1859年間。中國大唐盛世時期,文化遠播中外世界各地,更有美國人薛愛華寫的《撒馬爾罕的金桃》,研究了大量的唐代舶來品,由此不得不讓人推測灰姑娘故事來源於此。

段成式53歲時,擔任浙江麗水市(唐時稱處州)刺史時,還曾治理了“惡溪”水患,修建了好溪堰,使麗水市人民受益1000多年,好溪堰至今仍然是麗水市的主要水利設施。

這是一個奇人,講灰姑娘故事的語文老師們,推薦也順帶講講《酉陽雜俎》裡的葉限。

我當然不是說荒誕故事的,我是要說浮力。

《酉陽雜俎》裡除了有志怪小說,還有很多雜七雜八,包羅永珍。

卷十九·廣動植類之四中寫到:“蓮石,蓮入水必沉,唯煎鹽鹹鹵能浮之。”說出了不同液體對物體浮沉的影響。

如同下面這個雞蛋。清水中雞蛋下沉,濃鹽水中,雞蛋上浮。

元朝時,陳椿著了一本中國最早系統描繪“煮海作鹽”的圖書——《熬波圖》,裡面記載瞭如何用蓮子測定鹽水密度級別。先將蓮子浸以不同濃度鹽滷得密度不同的四粒蓮子後,放入竹管中,汲入鹽滷,觀四粒蓮子浮沉情況,別滷鹹淡之等。

學過初中物理的都知道,可以利用不同濃度的鹽水選種子。

液體密度,可主沉浮。

明末清初的方以智(1611-1671年),是我國一位重要的啟蒙思想家、哲學家和科學家。方以智著有《物理小識》,可惜竟然找不到此書譯文,只有文言古文版本,而且是當初方先生的草稿版,沒有標點符號,讀起來實在吃力。在此書卷七制汞法提到:“虛舟子曰:《本草》言金銀銅鐵置汞上則浮,此非也。銅鐵則浮,金銀則沉。金銀取出必輕耗,以其蝕也。

汞之密度,可浮銅鐵,金銀則沉。

同時提到過浮力起重,原文:“起重法,以剛鐵作蠡絲旋,旋入耎鐵方基中,既成二物牝牡相合,左旋則入右旋則出,乃以承重物。

竟然發現冰遇鹽熔化的句子:“藏冰不論汙濁,但灑以鹽開時自潔”。

寫著寫著,總是跑題。

再回頭說“液體密度,可主沉浮”。

若是海水上下密度出現上大下小的狀態,則稱“海中斷崖”。

4 海中斷崖

這斷崖,足以要了潛水艇的命,稱為“掉深”,是潛水員的噩夢。潛水艇在水下水平航行時,豎直方向處於平衡狀態,浮力和重力平衡,若突然浮力減小,則會向下加速,速度越來越大,呈加劇墜落狀態,越深潛水艇受到的壓力越大,每10米增加一個大氣壓,潛水艇遭遇巨大壓力,承受不住,直接被壓得粉碎。

2017年,阿根廷,“聖胡安”核潛艇突然失聯,17個國家聯合搜尋未找到。一年後,才發現了已經成為一堆廢鐵的潛艇艇身,還有無數細小的碎片。專家分析,潛水艇遭遇掉深。

2014年初,海軍372潛艇出航時突遇水下斷崖,急速掉深。艇隊官兵臨危不懼,成功處置險情,創造了潛水艇史奇蹟。電視劇《深海利劍》還原了事情發生過程,有興趣的可以點選網址觀看這一段落。

潛水艇在水中,能夠控制浮沉,主要依靠蓄水倉,抽氣注水變重則下沉,壓入空氣排水變輕則上浮。

所以有人會說,遭遇掉深,直接壓縮空氣排空水艙不就可以了嗎?減輕重力,這是主要應急措施,但時間再緊迫,也要按照程式一步一步來,不然容易造成潛水艇首尾傾角過大,前後不穩,同時緊急上浮,水中情況不明,也有一定危險。

反過來,若是海水下邊密度變大,則稱為“液體海底”。

液體可主沉浮,比如死海之上,人皆可浮。若是液體不變呢?魚又是怎麼做的?

5 人魚夢想

魚,在水中最為自在。

舊說,魚是依靠魚鰾的收縮膨脹,改變自身體積,改變浮力,實現浮沉。

新說,魚身上並沒有可以主動調節體積的結構。魚是依靠魚鰭實現浮沉,而魚鰾主要是調節魚自身的密度,使魚和周圍海水密度保持一致,可保持在某一深度處。魚停留在某一深度時,想要上浮,則揮動魚鰭,上浮一點以後,受到海水壓力變小,體積被動膨脹,受到的浮力變大便上浮更快,反之亦然。

不管怎麼說,魚鰾的作用不容忽視。

鯊魚沒有魚鰾。

鯊魚密度比水稍大。所以鯊魚在水中要一直遊,否則它就會沉下去,活一天便要遊一天,活一刻,便要遊一刻。鯊魚越遊越強壯,終成海水之王。鯊魚用堅持不懈的游泳成功的將劣勢變成了優勢,這在心理學上稱之為“鯊魚效應”。

人也想在水裡自由上浮下沉,於是人類發明了潛水。

潛水有個名詞叫“中性浮力”,意為浮力剛好使人懸浮在水中。潛水人員如何控制浮沉?

其一,個人配重的調整。

其二,浮力控制背心,簡稱BCD,就好像背了個氣球,可以通過灌入空氣,增大體積,以此控制浮力大小。

其三,肺部空氣的控制。肺部就是人的“鰾”。比如在泳池裡如果想潛在泳池底部游泳,只需徐徐吐氣,向斜下方遊動就可以實現。呼氣時,體積減小,浮力變小,吸氣時,體積變大,浮力也變大。要知道,如果剛好以中性浮力姿態在水底,一點點浮力的變化,都能引起上浮和下沉。

尾篇:人水奇緣

人未出世便先在水裡孕育,人類生命在水的包裹下誕生。羊水是胎兒的神奇之水,胎兒在羊水中應屬於懸浮狀態。

人類身體的70%為水。地球的70%被水覆蓋。

人的密度和水的密度相當。

冰的密度竟然比水小,無論大冰塊還是小冰塊,均漂浮在水上,並且露出的體積都是總體積的1/10,所以說“冰山一角”,這“一角”便真的是一,十分之一。

一般物質的固態都比液態重,因為熱脹冷縮。只有水冰是反常的,竟然是“冷脹”。

水在低於4℃時反常,高於4℃就恢復熱脹冷縮的正常了。

如果你沒感覺到水這個特性的神奇,我們可以假設一下冰的密度比水大。

那麼冬天來了,江河湖海表面的水結冰,結了冰以後,冰的密度大,便下沉,一直沉,沉底,上來的水再結冰,就這樣,最後整個江河從下到上都結了冰,水裡的生物無一存活。夏天來了,熱量將不能達到水底,水底將一直是千年不化的冰塊。

那麼赤道的海水呢?深處海水壓力大,受到巨大壓力的水也將變成冰。

地球生命來自海洋生物,如果沒有水的這個神奇現象,生命無從孕育。

反過來,正是因為水有這個特性,冬天時水的表層結冰,冰導熱性很差,將寒冷的冬天和水底隔離開,水下一年四季一直溫暖,生機勃勃。浮在水上的冰,看似平常,實則是生命起源的根本。

《道德經》雲:“上善若水,水利萬物而不爭”。

原文連結:

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg5MjE0MDkzOA==&mid=2247483887&idx=1&sn=08fd6ba53ab4b0b6cee05c7dbed6a79a&chksm=cfc3ed0af8b4641ca18147ca14ad006398cb3c3bdbbbae45c4d7fec2b4b49dbb15ef8ece90d3&scene=0&xtrack=1&sessionid=1555286900&subscene=91&clicktime=1555286905&ascene=0&devicetype=iOS11.4.1&version=1700032a&nettype=WIFI&abtest_cookie=BAABAAoACwASABMABQAjlx4AVpkeAMaZHgDTmR4A3JkeAAAA&lang=zh_CN&fontScale=100&pass_ticket=vpyCre2xeNVPn1nBV7WNW6myF3ep7crbVIIWgph%2BH8r1BseGSl8wX9URHq7QBZTV&wx_header=1

Comments

comments

發表迴響

你的電子郵件位址並不會被公開。 必要欄位標記為 *