走进游泳池时，身体会明显感到变轻。用数万吨钢铁造出的船能在海上轻盈漂浮，小小的铁钉一进水却马上沉下去。这些看似不同的场面背后，藏着同一条规则。那就是阿基米德原理（Archimedes’ Principle）。
简单来说，阿基米德原理是指：浸在流体中的物体，会受到等于它所排开的流体重量的向上托力。这个向上的力叫做浮力（Buoyancy）。公元前3世纪，西西里岛叙拉古的数学家阿基米德在《论浮体》（On Floating Bodies）中加以整理，至今仍是流体力学最基本的原理之一。
本文将依次介绍浮力的定义与产生原因、浮沉条件与钢铁船能够浮起的秘密，以及潜艇、热气球、死海等日常与产业中的例子。
排开多少，就浮起多少：浮力的原理与应用
什么是阿基米德原理？
像水或空气这样能够流动的物质叫做流体。把物体放入流体，流体就会被物体所占的体积向旁挤开。阿基米德原理告诉我们：这样被挤开的流体的重量，正好等于把物体向上推的力的大小。无论物体全部浸没还是只浸入一部分，都同样适用。
- 浮力（Buoyant Force）：流体对浸入其中的物体向上托起的力。
- 排水量（Displacement）：物体排开的流体的量；表示船的大小时也用这个词。
- 视重（Apparent Weight）：在流体中测得的重量，等于实际重量减去浮力。
例如，空气中重10牛顿的石头在水中排开了相当于3牛顿的水，吊着石头的绳子上的力就会减到7牛顿。水中连沉重的石头也更好抬起，原因就在这里。据说阿基米德看到浴池溢出的水而大喊“尤里卡（Eureka）”的王冠故事，出自罗马建筑师维特鲁威的记述；实际用了什么方法并不确定。
浮力为什么会产生？随深度变化的压力
浮力的根源是压力差。在流体中，越往深处走，上方堆积的流体重量越大，压力也就越大。因此物体的底面比顶面受到更强的推压。侧面的力相互抵消，但上下之差留下来，就成为向上的力。
（1）深度与压力
在水中，大约每下潜10米，压力就增加约1个大气压。潜得越深耳朵发闷，也是因为这种压力。
（2）密度与浸入体积
浮力的大小等于流体密度、物体浸入体积与重力加速度的乘积。同一个物体，浸得越多、进入的流体越重，浮力就越大。
（3）与形状无关的结果
无论物体形状多么复杂，只要知道排开的流体重量，就能求出浮力。不必做复杂计算、只留下核心，这种简单性正是该原理最大的力量。
会浮还是会沉？钢铁船浮起的秘密
水中的物体受到向下的重力和向上的浮力。浮力大于重量就上浮，小于重量就下沉，相等则停在原处。归根结底，物体的平均密度比流体小还是大，决定着胜负。
钢铁的密度接近水的8倍，实心铁块会直接沉下去。但把同样的钢铁展成宽而凹的器皿形状，情况就不同了。空心船体排开的水多得多，船只会沉到排开与自身重量相等的水为止，不再继续下沉。人们常把这叫做浮扬原理（Principle of Flotation）。
海水比淡水密度高，同一艘船在海里会浮得稍高一些。因此船体侧面画有满载吃水线标志，标明按水的种类和季节可以浸到多深。冰的密度比水低近10%，能浮在水面，但体积约有90%浸在水下。“冰山一角”这句话正是由此而来。
日常与产业中的阿基米德原理
浮力并不是只在水中才成立。空气也是流体，只要是能调节密度的装置，在任何地方都可以运用这一原理。
- 潜艇（Submarine）：向压载水舱灌入海水会变重而下潜；用压缩空气把水排出则会重新上浮。
- 鱼类的鳔（Swim Bladder）：许多硬骨鱼类通过调节鳔内气体的量，少费力气就能停在想要的深度。
- 热气球（Hot Air Balloon）：加热后的空气比外界空气密度低，气球会以排开的冷空气的重量大小向上浮起。
- 死海漂浮（Dead Sea Floating）：盐分极高、水密度很大的死海中，人可以不怎么用力就把身体浮起来。
- 比重计（Hydrometer）：看浮在液体中的棒浸入多深，来测量海水或发酵液的密度。
不过，这一原理以流体均匀包围物体为前提。若物体紧贴底部、下面渗不进水，底面向上的压力就会消失，结果也会不同。运用原理时，需要把这类条件一并考虑进去。
阿基米德原理是：流体中的物体会受到等于它所排开的流体重量的浮力。把这个由深度压力差产生的力与物体的重量比较，就能说明什么浮、什么沉。巨大的船与潜艇、热气球与比重计，都在同一原理上运转。
把自己浸入浴缸、看着上涨的水时，试着想想自己排开的水的重量——那就是流体力学探究的第一步。
