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做個實驗:將一塊橡皮泥放在水中,下沉,將橡皮泥中間挖掉一小塊放在水中,還下沉,接著在中間繼續挖取一些橡皮泥,最終橡皮泥可以漂浮在水面上。
這是什麼道理呢?先回顧一下物體的浮沉條件:浸沒在液體裡的物體,如果受到的浮力大於物體的重力,就上浮(最終漂浮在液麵上);如果受到的浮力等於物體的重力,就懸浮(可以停留在液體裡任何深度的地方);如果受到的浮力小於物體的重力,就下沉(一直到底)。
對橡皮泥而言,體積不變,受到的最大浮力不變,隨著挖取的部分增多,橡皮泥的重力減小。因此隨挖取的部分(空心部分)的不同,橡皮泥受到的浮力可以小於重力,也可以大於重力,也可以等於重力。玻璃瓶也是這樣,同樣體積的玻璃瓶,空心部分體積可大可小,浸沒時受到的浮力,可以大於,也可以等於、小於重力,所以,玻璃瓶可以浮在水面上也可以沉到水底。為進一步說明問題,下面進行簡單推算。
玻璃的密度ρ玻=(2.4~2.8)×10³kg/m³,取中為2.5×10³kg/m³。設玻璃瓶的體積為V瓶,中空部分的體積為V空,則
玻璃瓶浸沒在水中時受到的浮力F浮=ρ水gV瓶,玻璃瓶的重力G瓶=m瓶g=ρ玻g(V瓶-V空)
當玻璃瓶懸浮時,F浮=G瓶,即ρ水gV瓶=ρ玻g(V瓶-V空)
整理得:V空/V瓶=(ρ玻-ρ水)/ρ玻=(2.5×10³kg/m³-1.0×10³kg/m³)/2.5×10³kg/m³=3/5
表明玻璃瓶空心部分體積佔總體積的3/5時,玻璃瓶就能懸浮在水中。同樣道理,玻璃瓶空心部分體積大於總體積的3/5時就可以浮在水面上;小於總體積的3/5時就會沉到水底。
物體在水裡能不能浮起來看的是物體的平均密度和水密度的大小關係,平均密度大於水的那肯定是浮不起來的,如果小於的話就可以浮起來。
根據阿基米德原理,物體在水中收到的浮力等於其排開水的重力(質量)。那我們來分析一下你說的情況。首先來說,一般的玻璃密度肯定是大於水的,所以一塊玻璃扔到水上,就直接沉下去了,但是如果玻璃做成瓶子那情況就不一樣了。假設瓶子是封口的,進不去水,當瓶子的體積夠大時,內部的空心部分就承擔了大部分的平均密度,導致這麼大體積的玻璃瓶的平均密度小於水的密度。
當玻璃瓶的體積比較小的時候,瓶子的平均密度就會大於水的密度,這時候是因為瓶子中間的空心部分分擔的密度不夠,導致其放進水裡就沉下去了。
當瓶子的體積在某個值得時候,可以讓其平均密度恰好等於水的密度,也就是1。密度公式都是一樣的ρ=m/v。當玻璃瓶的平均密度等於水的密度時候,瓶子會懸浮在水中,因為只能瓶子所有部分都沒入水中,才能達到浮力與重力一致。
根據這三種情況來看,你就可以明白為什麼有的瓶子可以浮在水面,而有的就會沉下去了。理論上只要瓶子夠大,密度再大的玻璃瓶都是可以懸浮在水上的。