浮力 〈Buoyancy〉

浮力（Buoyancy）
台中縣常春藤高級中學李品慧教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

由於流體(液體或氣體)上下壓力的不同，完全或部分沉入流體下的物體會受到一向上的浮力，其量值等於排開的流體重量。此力使得物體可以浮在流體上或者減輕重量。浮力是船、艦艇、汽球和飛船等運輸工具很重要的原理。如貨櫃船，它的重量與其排開水重大小的浮力達到平衡，因而能浮在水面上航行。如果載入更多的貨物，它將更沒入水中，排開更多的水以產生更大的浮力與其增加的重量平衡。

壓力會隨著液面下的深度而增加，任一直立的物體，其底端壓力必定大於頂端壓力，此壓力差造成向上的浮力。

在深度 h 處靜止流體的壓力為 P = ρgh
此處，
ρ 為液體密度
h 為深度(負的高度)
g 為標準重力加速度(地球上為 – 9.8N/kg)

壓力乘以面積即為其所受的力，以一立方體為例，其上表面所受的力為
F_top = d²ρh_topg

其中d為立方體的邊長，浮力即為其上下表面所受力的差，
F_buoyance = d²ρh_topg – d²ρh_bottomg

可簡化為
F_buoyance = d²ρg(h_top – h_bottom)

立方體的高度差為-d，因此
F_buoyance = -d³ρg

或
F_buoyance = -ρVg

其中V為立方體的體積d³

負值代表與重力反方向，可用數學證明此式適用於任何形狀的沉體，並非只有立方體。

影響物體浮力大小只有二個因素：沒入流體下的體積和流體的密度。沒入的體積愈大，流體的密度愈大，所受的浮力亦愈大，因此浮力與排開的流體重量相等。

此物體所受的總力即為浮力和物體重量的淨力。
F_net = mg -ρVg

一物體所受的浮力若大於重力，便會浮起；若重力大於浮力，便會下沉。

亞基米德(Archimedes)發現了浮力的原理，因此又稱為亞基米德原理。

參考資料：
Buoyancy. http://en.wikipedia.org/wiki/Buoyancy