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力學 標題:物體在液體中所受的浮力
1:黃福坤 (研究所)張貼:2004-02-01 16:46:00:
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物體在液體中所受的浮力



一個靜止液體的空間,下端的液體對於上端的液體會有向上的作用力(浮力),
作用力的大小恰足以支撐上端液體的重量,因此液體處於『靜力平衡』。
物體浸入液體中時,會佔據部份原來液體所存在的空間。
而被排開的液體等於物體浸入內的體積。
這些被排開的液體的重量原本是由其他的液體所支撐,
    因此這些被排開液體原本所受的浮力(被排開的液體重量)
    轉移到『物體』而成為物體所受的浮力。   因此
物體在液體中所受的浮力 等於 若排開液體的體積,
    稱為『阿機米得浮力原理』。
本動畫希望能幫助你更容易體會浮力的相關概念。

若無法瀏覽動畫請點選使用問題


使用說明:
動畫內分為兩個區域,
    左半邊下方天藍色的區域代表液體。
    右邊區域內灰色的方塊代表物體。
你可以由上方的空格內分別改變 液體或物體 的密度。
    也可以填入 物體在液體內運動時所受到 阻力 Fr 的係數γ
        Fr = -γv (其中 v 為物體相對於液體運動的速度, 包含方向)

你可以在物體灰色區域內 按下滑鼠鍵,改變物體的位置或體積
    按下滑鼠左鍵後同時改變滑鼠位置,可以改變 物體的位置。
        移動物體時,
            左上方的數值代表 物體的 X 座標和寬度
            右上方的數值代表 物體的 Y 座標和高度
 
   按下滑鼠右鍵後同時改變滑鼠位置,則可以改變 物體的體積。
        此時方塊內,物體重量的數值會隨之改變。(無法直接輸入)

 若將物體移到液體內,將會排開部份的液體(與浸入體積等量),
     因此液體表面將會升高。
 物體內紅色向上的向量表示物體所受的浮力,左上方有對應數量。
 浮力對於物體的作用可視為集中於紅色向量的起點
    (也就是天藍色的小圓圈),稱為浮力中心
程式同時顯示物體所受的重力,以黑色向量顯示。
    黑色的小圓圈則是物體的重心
 

將物體抬高放開受,將會由於 重力作用 而無支撐力,於是物體開始運動。
程式中也畫出一個座標軸,橫軸為時間軸。
    藍色小圓圈代表物體底部與液體表面的高度差。
    藍色與紅色曲線分別代表物體的高度與速度隨時間的變化關係。
座標原點(綠圓圈)
    按下滑鼠右鍵,將會清除高度與速度的曲線,並將時間恢復為 0.0秒。
    按下滑鼠左鍵,可以上下移動位置曲線的橫軸高低位置。

動畫進行時,可按上方 暫停 鍵,停止動畫進行。
    欲繼續時,則在物體灰色區域以外點一下 滑鼠右鍵



你可以試試看,當液體密度與物體密度相同時,
    將物體完全浸入液體內,則物體將停在那兒完全不會動。
    因為此時物體就如同原來的液體佔有相同的體積。
    其他液體對該區域的作用力合力(浮力)與體積內液體重量相同。
    換成物體佔有相同體積時,四周液體對該區域的作用力不會改變。
    也就是 物體所受的浮力恰等於 該區域內相同體積液體的重量。


物理解說:
一個物體是否處於穩定平衡,取決於物體所受的支點 與物體重心的相對高低。
當物體的重心位於 支點下方時,物體猶如單擺或負擺,恆處於 穩定平衡。
    則物體相對於支點的力矩,隨著重心降低而減少,因此處於穩定平衡狀態。
當物體的重心位於 支點上方時,則物體處於不穩定平衡。
    則物體相對於支點的力矩,隨著重心降低而增加,因此不穩定。
當物體的重心與支點共點時,則物體處於隨遇平衡。
    物體所受力矩為零,因此物體不會有轉動的變化。

物體在液體內平衡性的探討:
    物體的重心與浮力中心的相對位置,決定了物體的穩定度。
    物體的浮力中心就好像支持物體的支點。
    當物體的重心位於浮力中心上方時,物體處於不穩定平衡狀態。
    當物體的重心位於浮力中心下方時,物體處於穩定平衡狀態。
    當物體的重心與浮力中心重合時,物體處於隨遇平衡狀態。


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