什麼是浮力計算器?
這個工具可以計算流體對完全或部分浸入物體所施加的向上浮力。其原理來自阿基米德原理:物體所受的浮力,等於它所排開流體的重量。無論是哪一種流體(淡水、油、空氣、海水),也不限於地球,只要調整密度與重力加速度的數值,這個計算器都能適用。
使用方法
只需輸入三個數值:流體密度(單位 kg/m³,淡水約 1000、海水約 1025、空氣約 1.225)、排開體積(單位為立方公尺,即被推開的流體體積,等於物體浸入流體中的體積),以及重力加速度(地球上為 9.81 m/s²)。計算器會回傳以牛頓(N)為單位的浮力,以及所排開流體對應的質量。
公式解析
核心公式為 Fb = ρ · g · V,其中 ρ(rho)代表流體密度、g 為重力加速度、V 為排開的體積。ρ · V 的乘積即為排開流體的質量,再乘上 g 便將質量換算成重量(力)。由於浮力只取決於被排開的流體,而與物體本身的材質無關,因此一艘鋼鐵打造的船能浮在水面,一顆鋼球卻會下沉——關鍵就在於兩者各自排開了多少體積。
範例演算
假設有一個體積為 0.05 m³ 的密封箱子,在地球上(g = 9.81 m/s²)完全浸入淡水中(ρ = 1000 kg/m³)。其所受浮力為 Fb = 1000 × 9.81 × 0.05 = 490.5 N。這相當於所排開的 50 公斤水的重量——因此若箱子的重量小於 490.5 N,它就會浮起;若重量超過此值,便會下沉。
重力與參考常數
重力加速度gravity(重力)決定了排位流體被拉動的強度,因此也決定了浮力的大小。標準地球重力是通常的默認值;其他天體列出用於非地球環境或比較問題。
| 天體 | 重力加速度 (m/s²) |
|---|---|
| 地球(標準,g₀) | 9.80665 |
| 月球 | 1.62 |
| 火星 | 3.71 |
| 木星(雲頂層) | 24.79 |
變量與單位(國際單位制)
| 符號 | 物理量 | 國際單位 |
|---|---|---|
| \(\rho\) | 流體密度(rho) | kg/m³ |
| \(V\) | 排位體積(volume) | m³ |
| \(g\) | 重力加速度(gravity) | m/s² |
| \(F_b\) | 浮力 | N(牛頓) |
將所有三個輸入值保持在國際單位制中,這樣結果將以牛頓表示:\(F_b = \rho \, g \, V\)。通過除以 1000 將公升轉換為立方米,將克每立方厘米乘以 1000 轉換為千克每立方米。
常見問題
物體的重量會影響浮力嗎?不會。浮力只取決於排開流體的體積、密度與重力加速度。物體的重量決定它會浮還是沉,但並不影響浮力本身的大小。
我應該輸入哪一個體積?請輸入浸入流體中的體積,也就是實際被排開的流體體積。對完全浸沒的物體而言,這就是它的總體積;對漂浮的物體而言,則只是水面以下的那一部分。
可以用來計算空氣或其他氣體嗎?可以。只要使用周圍氣體的密度(空氣約 1.225 kg/m³),就能估算氣球與飛船所受的升力。