Physics
高校生
解決済み

請問如何證明阿基米德浮力原理

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B=V*D
B為浮力
V為排開體積
D為液體密度

如果有一個長方體,底面與液面平行
設其底面積為A,上底面距液面h₁,下底面距液面h₂
則其上底面液壓為 h₁D,也就是液壓對物體向下施力 h₁DA
又其下底面液壓為 h₂D,也就是液壓對物體向上施力 h₂DA
而浮力即上下液壓差造成的作用力,故 B=h₂DA-h₁DA
B=(h₂-h₁)A*D=V*D

又如果有一不規則形體
則可以切成無窮多個底面與液面平行的長方體
對於每一個長方體 Bᵢ=Vᵢ*D
則總浮力 B=B₁+B₂+B₃+⋯+Bₙ=(V₁+V₂+V₃+⋯+Vₙ)*D=V*D

@#$&

你說的意思是像圖片這樣嗎
但是我認為圖中h1D及h2D是鉛直向的
而h3D和h4D、h5D和h6D不是像我第一張圖那樣畫的吧,
壓力方向是第二張圖嗎

@#$&

上面的是第一張圖,下面的是第二張

@#$&

下面的是第一張圖,上面的是第二張

白膠

理論上,壓力方向確實要垂直於物體表面,但水平方向的壓力會互相抵消,所以只剩下鉛直方向的力(第二張圖會簡化成第一張)
但阿基米德原理一開始算是觀察到的現象,不算是推導出來的

@#$&

感謝上面兩位解說,但長方體證法我仍有疑惑,故以下證明我以用積分一步步遞進證明圓球氣泡的浮力,但是出了點問題,希望各位能解答:
我算出來的浮力是DVgA,去掉A才符合阿基米德浮力原理,是哪裡證明錯了嗎?
找出哪裡錯之後的問題是,這也只能證明圓球狀的物體受到的浮力為DVg,那麼其他形狀要怎麼證明呢?

白膠

其他形狀也是把他想像成切成非常非常多個小長方體,算完每一個小長方體受的浮力再全部加起來
B=∫ Dg(h2-h1)dA=∫ gDdV
假設密度不隨高度而改變:
∫(h2-h1)dA=∫ dV
物體在液面下體積 V=∫ dV
→ B=DgV

@#$&

請問B=∫ Dg(h2-h1)dA=∫ gDdV 是如何來的,我積分還不太熟練

qn

dV/dA = h2-h1
dV=(h2-h1)dA

qn

看過你的計算過程了
P應該是4αDgA*α/r 因為還有右半邊
再來比較複雜的是
α的大小會影響面的大小
它的係數是可以推算出來的(如圖一)
直觀來看的話:
在每個dα都相同的情況下
然而,當α越小ds越長;α越大則ds越短
(ds為dα對應的圓弧)
更複雜的是這個積分要用三角函數
沒辦法用多項式函數計算
圖二是它的計算過程

qn

然後不規則物體的計算如下圖
圖一:在同一水平切面下,所有單位法向量的積分為0向量,可以得出水平方向水壓施力相互抵銷
圖二&三:將物體分為上下曲面,做曲面積分,積分法向量乘以水壓施力,最後計算Fz正好是對高度的積分,正是物體體積

@#$&

謝謝你,我再一一看

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