第3節重力浮力

走在地球上，都能感覺到重力的影響，比如爬山就比走平路累。不過有意識思考分析這個問題的人是英國人牛頓。或許有其他人在牛頓之前分析過，但尚未發現文獻記錄。牛頓發現，地球上缺乏支撐的物品，總是落在地面上，而月球卻一直掛在空中，造成這種情況的原因就是地球對任何物體都有吸引力，我們通常稱之為重力。而月球一直在遠離地球，地球又在吸引月球，二者剛剛好達到平衡。如果月球遠離的趨勢更大一些，月球就一去無影蹤。如果地球吸引力更大一些，月球就一頭扎進地球的懷抱。但不必贊嘆我們的運氣，那些遠離趨勢和吸引力達不到平衡的衛星，早就消失了。只有達到平衡的，才能等到我們出現。

重力使大氣得以存在，海洋得以形成。水有重量，并且我們的身體大部分都是水，我們大致就相當于一個人形的水囊。大氣也有重量，這個重量壓在我們身上，就是大氣壓。

我們在水中游泳或走動，和在地面上跑走相比，就感到很吃力。而在地面上跑走，其實是在大氣中進行的，但是感覺差異如此之大，是因為大氣和水相比，稀薄得多。當然如果跑得飛快，也能感到迎面風的力度在增加。

大氣：

我們生活的大氣層厚度可以達2000公里，但實際上從地面算起，超過10公里就非常稀薄了。（在地球上，地面高度變化很劇烈，使用海面作為高度的基本指標可以保證數據統一。所以后面的高度都是按照海平面為基礎的，稱之為海拔高度。）超過100公里，可以完全忽略。對于我們實際可以接觸到的情況，從地面開始10公里，命名為對流層，我們看到的大氣現象，比如風、雨、雷等等，都是在這里發生的。在對流層內，隨著高度增加，平均氣溫在下降。從10公里開始到50公里，是平流層。這里空氣稀薄，基本沒有水份，在高度相同的區域，溫度恒定，高度10公里保持著零下55度。隨著高度增加，溫度在增加。高度上升到30公里后，溫度上升到0度左右。現在的客機，都保持著平流層飛行。

這上百公里厚的大氣壓在我們身上，就是我們平常承受的大氣壓，定義為1個大氣壓。這么厚的大氣為什么沒把我們壓傷呢？我們體內有向外的壓力，剛好和外面的大氣壓平衡，所以我們沒事。如果內外壓失去平衡，就會出問題。現在航天技術使人上到太空，那里的大氣可以完全忽略。這樣人內部的壓力沒有外部平衡，，肺內的氣體全部流失，腹腔內的氣體會極度膨脹。宇航員在太空修理飛船時，都穿著厚厚的宇航服，保證了人體內外部壓力平衡，提供空氣呼吸，保持體溫等等。在木星上，也有濃厚的大氣層，并且木星的吸引力遠遠大于地球，所以那里大氣壓力比地球大得多，我們在那里就會被壓扁。

現在旅游普及，生活中沿海的人到高原旅行，經常有高原反應。這并不是內外壓力差造成的，因為身體的內外壓會緩慢進入平衡狀態。而是因為隨著高度增加，大氣逐漸變得稀薄，人體需要的氧氣供應不足造成的。另外高度增加，大氣溫度在緩慢降低。高原平均氣溫降低，晝夜溫差增加，也促使身體不適。比較好的解決方法是在旅游前一段時間進行身體鍛煉，主要是增強心肺功能，比如游泳。

觀察：

1如果體會不同高度大氣壓力的變化呢？在坐火車時，如果從平原（海拔高度低）經過高原（海拔高度高），或到達高原。保持長時間安靜或睡眠狀態，會發現耳鳴或耳疼痛，聽到的聲音音量比實際小。這是因為人的內耳封閉空間的壓力和外面的大氣壓不平衡導致的。坐飛機也會出現這種情況。如何解決？深深地打上幾個哈欠，可以讓內耳和外面進行空氣交換，恢復壓力平衡。運氣好的時候還可以聽到氣流在內耳進出時的聲音呢，只是并不悅耳。

2如何體會高度不同，大氣稀薄程度不同？在低海拔生活的人，到達高海拔地區以后，因為大氣稀薄，導致氧氣供應不足，為了彌補，人會自發進行深呼吸。通常人是偶爾進行深呼吸，這時候全程進行深呼吸。前提是心肺功能足夠正常，不然只能與氧氣罐為伍或回家

（本章未完，請翻頁）。與此類似，人在久坐以后，呼吸一直處于淺呼吸狀態，供氧不足。這時候打哈欠，伸懶腰，都是補氧的自發動作。當供氧不足時間較長后，身體會調整，降低對氧氣的需要，就進入休眠狀態。二氧化碳含量增加，也會產生同樣效果。所以進入封閉的空間、洞穴等，發現困意十足，這是危險的信號，趕緊離開，不然就離不開了。

3有機會坐飛機的話，觀察窗外可看到，在任何時候，都是萬里晴空，那些雷電，都在飛機下方。這時候，你就處于平流層中。如果你發現飛機周圍有云，那一定是飛機高度不夠。

4在某些地區，暖濕的空氣被風吹向山脈，而隨著山高度的增加，溫度下降，空氣中的水蒸氣凝成水，以雨的形式降到地面。這是地形成雨。中國雨城有四川雅安和臺灣基隆。世界上的雨城是印度的吉拉朋齊，那里可以連續下幾年的雨。都是受地形影響下雨。在另外一些地方，空氣越過山脈進入谷地，受地形壓縮，高度降低時，溫度增加很快。但是空氣中的水蒸氣不增加，空氣顯得干燥，溫度增加越高則越干燥。形成焚風。比如四川德榮的太陽谷，美國加州的硅谷。觀察附近的地區，尋找地形降雨和焚風。這個本身是很普遍的現象，在外出旅游時，觀察山兩側植被的差別，可以估計出此地風的方向。若山兩側植被基本沒差異，說明什么？

5夏威夷群島，在南島語系人沒有抵達之前，存在大量的鳥類，其巢穴都構建在陸地上。人類抵達后，大量滅絕。夏威夷雁的祖先是加拿大雁，遷徙中被風吹至夏威夷。通常鳥類長途遷徙，高度抵達對流層頂部。而對流層高度在極地區域是8千米，赤道區域可達1萬3千米。這就是為什么這些鳥會被吹偏方向的原因。

6第一次世界大戰，德國克虜伯公司制造了“巴黎大炮”，射程120公里，炮彈可抵達32公里高度。為什么大炮的射程如此遠？

大氣有壓力，水同樣也有。但大氣的稀薄程度不均勻，10公里以上的大氣總重量才占全部大氣重量的四分之一。大氣本身重量又很輕，最終100公里厚的大氣和10米厚的水造成的效果是相同的。

如何衡量水和空氣在制造壓力上的差異呢？我們引入密度，就是相同體積內的重量。使用密度時，一般讓體積為某個具體數值。比如1個立方米，就是邊長高都是1米的一個方塊。討論1立方米的空氣和水的重量，這個重量值就是空氣和水的密度。水的密度是1立方米是1000公斤，大氣中最稠密空氣的密度是1立方米是12公斤。因為水的密度遠遠大于空氣，并且大氣層不均勻，最終10米水等效100公里大氣。

海洋最深處是馬里亞納海溝，達到10公里以上，這個壓力的效果和大氣10公里的效果不可相提并論，此刻壓力是大氣壓的1000倍。宇航員在太空，需要平衡1個大氣壓即可。在海底最深處，要平衡1000個大氣壓。所以探索海洋難度超過了太空。

在游泳池中或小河中，會感覺到身體變輕，不怎么需要腿部力量支撐。這又是怎么回事呢？

觀察上面左右2個圖。左邊青色部分是水，綠色的十字部分也是水。右邊青色部分是水，橙色的十字部分是某物體。左右兩圖中綠色和橙色部分的形狀完全相同。先觀察左圖。青色部分的水保持形狀不變，是因為綠色部分有水填充著。如果綠色部分的水消失了，青色部分的水的形狀就要變化，水面就降低了。觀察左右兩圖中青色部分的水，發現兩部分水的形狀沒有任何區別，這說明右圖中橙色部分的物體對青色部分水所產生的效果和左圖中綠色部分水對青色部分水產生的效果完全相同。否則兩邊的青色部分會有差別。現在觀察左圖，綠色部分的水保持在中間位置不移動。按照牛頓的觀察，此部分水是有支撐的，否則就會沉下去到底。而這個支撐的力和綠色部分水的重量完全相同。對于右圖而言，青色部分并不知道橙色部分是什么，僅僅知道橙色部分對青色部分作用的效果等同于橙色部分充滿水，那么青色部分對橙色部分的作用就是產生支撐力，等于橙色部分全部都是水的重量。現在命名這種支撐力為浮力。現在我們把水全部換成汽油、酒精或者什么其他液體，那么上述的分析不變。也就是說浮力（或者說支撐力）的大小就等于某個物品所占據液體體積所

（本章未完，請翻頁）對應的液體重量。記錄中以阿基米德討論為最早。

我們的身體主要成份是水，不易被壓縮。假設是空氣的話，我們就不能潛水。即便采用一些手段潛水，潛入10米，我們就要被壓到原來體積的一半了。

正常情況下，空氣無所不在，如果想要消除大氣壓力，就要完全消除空氣。某個空間中沒有任何氣體、液體或其他物質，我們稱之為真空。比如太空中就可以稱之為真空，而且這個真空比地面上我們制造出來的真空更干凈。100公里厚的大氣等效為10米高的水柱，也等效為076米的水銀柱。因為水銀的密度是水的10/076134倍。如右圖，取1米長的玻璃厚管，其中一端是封閉的，另一端開口。灌滿水銀，堵住開口放入水銀池后放開堵口，水銀池表面橙色部分承受大氣壓力，粉色部分承受玻璃管內水銀壓力，當兩者相同時，水銀面保持平衡。也就是說，100公里高的大氣和076米高的水銀柱產生的壓力相同。而在玻璃管內超出076米的部分就是真空。實際上里面有少量水銀蒸氣。

思考：

1現在我們將液體換成氣體，也就是說，空氣對其中的物體有沒有浮力？

2鳥在空中飛行，飛機在空中飛行，是浮力起的作用嗎？

3早年農村可以見到手動式抽水機，在使用前要給上面的橡膠活塞倒些水來密封。那么井水最高能抽高多少米？

4人蹲久了，突然站起來，為什么會眼前發黑、發暈？

5接問題4，長頸鹿身高55米，什么情況對它生命可能造成威脅？

生活中出現的壓力和浮力：

1自來水系統、噴泉

2抽水馬桶水箱（浮力結合杠桿實現自動注定量水、水壓力實現沖）

3打氣筒

4過橋米線的湯

5血壓計

6孔明燈

7公園里面的游船

在地球上，任何物體都受到地球的吸引力，所以重力無所不在。我們生活在大氣中，周圍物體都受到大氣的浮力。不過空氣密度小，浮力很小，多數情況下都可以忽略。當某些物體很大時，浮力就是不可忽略的。

古代的應用：

船，是影響人類文明進程的工具。道路和運輸，一直是制約文明交流和發展的主要因素。在現代機械和化工沒有發展起來前，水運是性價比最高的運輸手段。在4000年前，古希臘人就駕馭船，殖民地中海和黑海區域。南島語系的人征服印度洋和太平洋也必須使用船。在運輸量需求大的地方，人類開鑿運河溝通水路。比如靈渠、京杭大運河、基爾運河、巴拿馬運河、蘇伊士運河。船的漂浮是依賴浮力，而前進的動力則可以是人力（希臘三槳座戰船trireme）、風力（中國硬帆、阿拉伯軟帆）、機械動力（蒸汽機富爾頓）、核動力（鸚鵡螺號）。

近代的應用：

1氣球，包括熱氣球和氫氣球。可以帶人飛上天空，從新的角度觀察世界。在飛機不成熟的年代，氣球可以進行偵查（炮兵校準）、空中運輸（齊柏林伯爵）。在航天技術不成熟的年代，氣球可到達平流層頂部，進行天文觀察。

2挖掘石油，往油井中注入高壓熱水，可使石油自動噴出。像自流井是內部本身壓力大，足以克服液體升高至地表對應的壓力。在深井中采水，依靠泵水機強大的壓力克服水自身的重力。采水溶性礦(巖鹽)或熱熔性礦(硫磺)，方法類似。

觀察：

1香煙對身體有害，但是很多人在吸。觀察吸煙的過程，看煙是如何進入身體的，注意站在上風口避免受害。

2醫院的輸液系統，一般藥瓶掛在比較高的位置，中間是調節流量的緩沖區，最低位置是輸液針頭，扎入血管。當無意中降低了緩沖區的高度，會發現血液倒流進輸液管。

3水槍抽水、醫院抽血，都是利用真空原理。觀察這些真空的制造過程。

（本章完）