我國古代對浮力的認識及應用

亢鋒

對浮力的認識和應用，是古代流體力學研究的重要內容。在這方面，中國古代勞動人民積累了豐富的實踐經驗。

一、應用浮力定性判定物體質量分布是否均勻

早在先秦時期，古人就對物體的浮沉特性有所認識，并在生產實踐中有十分巧妙的應用。例如在《考工記·矢人》篇中，“矢人”在確定箭桿各部分的比例時，采用的方法是： “水之，以辨其陰陽；夾其陰陽，以設其比；夾其比，以設其羽。”

就是說，把削好的箭桿投入水中，根據箭桿各部分在水中浮沉情況，判定出其相應的密度分布，根據這一分布來決定箭的各部分的比例，然后再按這個比例來裝設箭尾的羽毛。這種根據箭桿各部分浮沉程度判定其相應質量分布的方法是合乎科學的，也是十分巧妙的。

《考工記·輪人》篇在規定車輪的制作規范時，也應用了水的浮力。為確保車輪“揉輻必齊，平沈必均”，“輪人”采用的辦法是：“水之，以眡其平沈之均也。”意思是說，要測量木制輪子各處質量是否均勻，只要把它放在水中，測量其各處浮沉程度是否一致即可。如果浮沉程度一致（“平沈”），輪子各處質量分布必然是均勻的（“必均”）。

二、應用浮力定量測定物體的重量

三國時期有個神童叫曹沖，是曹操的兒子，他曾經提出“以舟稱象”。據《三國志》記載：“沖曰：‘置象大船之上，而刻其水痕所至，稱物以載之，則校可知。”意思是把大象趕到船上，記下船在河中下沉的位置；然后，將大象拉上岸，把石頭陸續裝入船中，直到裝載石頭的船下沉到剛才那個記號為止，再分別稱出船中石頭的重量，石頭的總重就是大象的重。曹沖稱象的方法，正是浮力原理的具體運用。

三、應用浮力起重

大約在殷商時期，我們的祖先就開始認識和應用浮力了，是世界上應用浮力最早的國家之一。當時是利用較大的獨木，從中間挖成槽形，放在江河的水中漂流，稱為獨木舟。周朝以后浮力得到進一步應用，不僅木船已普遍使用，還學會了將很多船連在一起，上鋪木板架成浮橋，浮橋是我國古代歷史上應用浮力的偉大奇跡。

以舟起重也是中國人的發明，相傳在11 世紀初，在蒲州附近潼關以北的黃河上架起一座很大的浮橋，浮橋的纜繩用8只鐵牛系住，這些鐵牛立于兩岸，每只鐵牛重數萬斤。后來由于洪水泛濫，浮橋被沖垮，鐵牛也沉入河中。如何把鐵牛打撈起來，在當時的條件下，是比較困難的。和尚懷丙派人潛入水中，用鐵索把鐵牛和兩只裝滿泥土的大船系在一起，然后再將船中的泥土除去，利用大船所受的浮力，把鐵牛拉上來。懷丙是中世紀偉大的工程力學家。他創造的浮力起重法，曾在16世紀由意大利數學家卡丹用于打撈沉船。

四、利用物體的沉浮原理估測液體的密度

在我國的宋、元時代，密度的測定主要和古代的制鹽業關系密切，即由于估測鹽水的需要，發展了液體密度的測量技術，為曬鹽業提供了條件。11世紀，姚寬在臺州做官時，為了檢查鹽商是否舞弊，首創了一種簡單的估測鹽水密度的方法。選用體積大體相同，而質量不同的蓮子10粒，當把蓮子放在鹽水中時，如果這些浮沉子——蓮子有5粒以上浮起，說明鹽水是最濃的；如果有三四粒蓮子浮起，說明此鹽水是濃鹽水；如果不足3粒蓮子浮起，說明此鹽水是稀鹽水。到了元代，經進一步改進，制造了便于攜帶的簡單裝置。取4個蓮子，分別用4種不同濃度的鹽水浸泡，放在一個竹筒內，便成為簡單的測定鹽水濃度的裝置。如果要測某種鹽水的濃度，只要把待測鹽水的一小部分裝入筒內，觀察各類蓮子浮起的情況，便可以估測鹽水的濃度。到了明代，測定鹽水濃度的方法進一步簡化，選一粒輕重合適的蓮子，放在竹筒內，當把待測的鹽水放入竹筒中時，如果蓮子浮在水面上成橫倒形，則鹽水最濃；如果成垂直形，則鹽水次濃；如果蓮子沉而下浮，則鹽水不濃。我國古代這種簡單估測鹽水濃度的方法，與現代密度計的原理相似，這說明我國古代對浮力的研究與應用已經相當深入了。

我國漢代曾發明過一種做軍事信號用的燈籠——孔明燈。之所以叫孔明燈，一來是做出來后的天燈有點像孔明先生所戴的帽子；二來民間傳說是孔明發明的。它的結構可分為主體與支架，主體大都以竹篦編成，次用棉紙或紙糊成燈罩，底部的支架則以竹削成的篦組成。在燈籠的下面放一個小碟，盛上松脂，點燃松脂時，燈籠扎就能騰空而起，飛向天空。其工作原理是熱空氣比冷空氣輕，與熱氣球一樣，只是這種放飛方法更簡單，操作更方便。現代人放孔明燈多作為祈福之用。男女老少親手寫下祝福的心愿，象征豐收成功，幸福年年。