
【化】 Archimedes principle
阿基米德原理(Archimedes' Principle)是流體力學中的基礎定律,由古希臘科學家阿基米德在公元前3世紀提出。其核心定義為:浸入流體中的物體,受到豎直向上的浮力,其大小等于該物體所排開的流體重量。這一原理的數學表達式為: $$ Fb = rho{text{fluid}} cdot g cdot V_{text{displaced}} $$ 其中,$Fb$表示浮力,$rho{text{fluid}}$為流體密度,$g$為重力加速度,$V_{text{displaced}}$為物體排開流體的體積。
物理意義
當物體完全或部分浸沒在靜态流體(液體或氣體)中時,流體會對物體施加一個與重力方向相反的力。該浮力的來源是流體内部壓力差,其強度僅取決于被排開流體的總質量,與物體的材料、形狀無關(來源:《大英百科全書》Archimedes' Principle條目)。
適用範圍
原理適用于所有牛頓流體(如水、空氣等)中的靜力平衡狀态,且在均勻重力場中成立。對于非牛頓流體或微觀尺度下的量子流體,需引入修正條件(來源:NASA物理教育文檔)。
工程應用
該原理被廣泛應用于船舶設計、潛水艇浮力控制系統、熱氣球升空計算等領域。例如,船舶的排水量設計直接基于阿基米德原理,通過船體浸沒體積推算載重能力(來源:《工程力學基礎》,中國科學技術大學出版社)。
據《科學史》記載,阿基米德通過在裝滿水的容器中浸入皇冠,測量溢出水量來驗證金冠純度,從而發現浮力定律。這一實驗成為科學史上最早通過量化方法解決實際問題的範例之一(來源:斯坦福大學科學史檔案)。
阿基米德原理是流體靜力學中的基本定律,描述了物體在流體中所受浮力的規律。其核心内容為:浸在流體中的物體(無論是全部或部分浸沒)會受到一個豎直向上的浮力,其大小等于該物體所排開的流體的重量。以下是詳細解釋:
阿基米德在公元前3世紀發現該原理。傳說他在浴缸中觀察到水位上升,從而悟出浮力定律,并大喊“Eureka!”(意為“我找到了!”)。盡管故事的真實性存疑,但它生動體現了科學發現的靈感瞬間。
通過阿基米德原理,我們不僅能解釋日常現象,還能指導工程設計和科學實驗,是流體力學和材料科學的重要基礎。
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