中國科學技術館之水中沉浮

◎文圖 中國科學技術館 高婷

“一天到晚游泳的魚啊魚不停游……”，這是當年紅極一時的歌曲； “海闊憑魚躍，天高任鳥飛”，這是年少氣盛時最愛的詩歌。它們都表達了對魚兒自由嬉戲的贊美和羨慕。

那么，你是否想過，千姿百態的魚兒是如何在水中自由沉浮的呢？沉浮現象又與潛水艇有著怎樣的聯系呢？

中國科技館二層“探索與發現”A廳的“水中沉浮”展項會幫我們解開這一謎題。只要分別為模型魚和潛水艇排出氣體和水，就會看到魚和潛水艇分別下沉和上浮的現象。由于潛水艇艇身的中部和魚的腹部都是透明的，觀眾可以清楚地看到潛水艇內“沉浮箱”中水量的變化和魚體內“魚鰾”體積的變化。

通過對比，你會發現潛水艇的發明是受到了魚兒的啟發。魚在水中的沉浮，是通過魚鰾貯存氣體的體積變化來完成的：當魚要浮起來時，肌肉放松，魚鰾擴大，鰾內充滿空氣，魚所受到的浮力變大，魚就能浮起來；如果收縮肌肉，鰾內氣體排出，魚鰾變小，浮力減小，魚就下沉。魚鰾內一定量的氣體還能使魚體比重與水環境的比重相等，這樣魚就會停留在那里，不上升也不下降。

人們發明潛水艇的靈感正是來自魚的沉浮。根據沉浮原理：浸在水中的物體，當浮力大于重力時，物體就能浮在水面上；當浮力小于重力時，物體就下沉；當浮力等于重力或相差很小時，物體就可以“懸浮”在水中任何位置。

而潛水艇通過兩側水艙的充水或排水來調整船體自身的重量而實現下沉或上浮。打開水艙進水閥，水灌滿水艙，潛水艇自身重量增加，重力超過浮力時，潛水艇下沉。關閉水艙進水閥，利用壓縮空氣把水艙里的水通過排水閥排出，潛水艇自身重量減輕，重力小于浮力時，潛水艇上浮。讓部分水艙進水或排放部分水艙里的水，調節潛艇的重量，使重力等于或稍大于浮力，這時，潛艇就能在深淺不同的水域中潛游。

最初的潛水艇并不是利用水艙來控制沉浮的，人們將石頭或鉛塊等重物裝進潛艇，使潛艇下沉或者上浮。

現代人用核動力作為推進動力制成核潛艇，水中排水量達到萬噸以上，水下續航力達20萬海里，在水中能待上2至3個月。從原始的潛艇到現代的核潛艇都是以沉浮原理作為理論依據。