摘要：物體在水面或水中都受到各種作用力，這些力也直接關系著其平衡與沉降。影響這些力大小的關鍵因素是排水量，文章通過受力分析，從阿基米德原理、替換原理來剖析排水量的深層含義。

　　關鍵字：排水量,體積,平衡,替換

　　排水量是物體排開水的質量，它與當前的生活、軍事聯系緊密。在湖泊和河流中航行的船只，在海洋里演習的艦艇，以及潛在水面以下的潛艇，它們能否正常工作首先就與其排水量有關。掌握好排水量的本質特點，能夠快速的解決很多實際問題。

　　先分析一下物體在水中的受力狀態，從而得出排水量的一些基本特性。

　　一、物體在水面下受到的作用力

　　如圖1，物體淹沒在水中，在其上方，有水對其向下的作用力P1，在其下方有水對其向上的作用力P2，哪個作用力更大呢?這里可以引入靜水壓強的概念，可以了解到，同等條件下，在水中越深的地方受到的靜水壓強越大。而物體前后左右水深相同，于是前后左右的靜水壓強可以對應抵消，所有只有向上或向下的作用力。如果圖1是正方體，根據靜水壓強的基本方程：其實這個垂直向上的力就是物體受到的浮力。

　　二、物體在水面上受到的作用力

　　物體浮在水面上，同樣受到上、下兩個面的力，不過這次其上受到的是大氣壓力，其下才為靜水壓力，根據同樣的方法，利用靜水壓強的基本方程：那么物體上、下面的靜水總壓力為：則壓力差就是當然，這個垂直向上的壓力也是物體受到的浮力。

　　三、船艦排水量

　　1、阿基米德原理

　　對于圖1，如果水中沒有物體，那么物體所處位置必定被水填充，而且保持平衡。沉于水下的正方體物體體積與對應填充水體的體積相等，則求用來填充物體的這部分水體的體積為：由上式求得的水的體積，可得此部分水體的重力為如果水面上沒有物體，那么用來填充物體所占水面以下空間的水體體積為同樣可求得該部分水體的重力為：

　　①③式相同的結果、②④式相同的結果可以說明一個結論：物體處于水面下或浮于水面上時，水體作用于物體的總壓力只有一個鉛垂向上的力，其大小等于該物體所排開的那部分水的重力，這就是阿基米德原理。

　　2、替換原理

　　前面為了計算方便，都是以正方體為模型來進行分析的，但無論什么形狀(如圖3普通船艦)，都是滿足的。

　　當然，這里可以更便捷的從替換的角度來進行分析。

　　在靜水中取一塊任意形狀的水體作為研究對象，那么這個研究對象受力平衡，包括水平方向平衡和鉛垂方向平衡。研究對象在鉛垂方向受到浮力和自身重力，鉛垂方向平衡說明浮力等于自身重力，即F研浮 = G水。

　　設想把這個研究對象(任意形狀的水體)取出，用相同形狀、相同體積的其他物體在原來的位置進行替換，由文章前兩大點的論證可以引申，替代物在水面上、下受到的作用力必然和研究對象相同，所以替代物受到的浮力也與研究對象受到的浮力相同，F物浮 = F研浮。即使物體在水下處于更深(或更淺)的位置，物體上、下面受到的靜水壓力雖然會增大(減小)，但根據之前提到的靜水壓強的基本方程可知，靜水壓強(靜水壓力)隨水深H的增大而呈一次比例增大關系，所以其壓力差(浮力)不會變化。

　　結合以上兩個公式F研浮 = G水 與 F物浮 = F研浮，可知F物浮 = G水，即物體沉于水面下時受到的浮力等于其排開的相同體積的水的重力，如果在水面上，同樣可得知其浮力等于排開的那部分水體的重力。

　　根據以上分析可以說明，物體在水中受到的浮力大小，與物體形狀沒有關系;與物體沉沒于水面下的深淺也沒有關系，只與排水量有關。

　　3、正確理解排水量

　　在軍事和生活生產中，潛艇的狀態如圖1，可完全沉于水面下;其它船艦如圖2，浮于水面上。在這里特別注意的是，排水量為物體排開水體的重量，這個重量意為質量而不是重力。因為排水量的單位為質量的單位千克(kg)或噸(t)，而不是牛(N)或千牛(kN)，比如我國的遼寧號航母，標準排水量為57000噸。

　　那么物體在水中是上浮還是下沉呢?什么因素決定物體的上浮或下沉呢?

　　無論物體沉于水面下(圖1)，還是物體浮于水面上(圖2)，其受到的靜水總壓力總是鉛直向上的浮力。當然，不管哪種情況物體總還會有自身重力，可以設想物體在水面下時(如圖1)，如果：

　　⑴ 重力大于浮力時G>P，物體下沉最終到水底，河床底部或容器底部給予下沉物體一個新的向上的阻力F，物體重新得到平衡G=P+F，物體靜止于水底。

　　⑵ 重力等于浮力時G=P，物體將懸浮于水體中。

　　⑶ 重力小于浮力時G

　　根據以上三點可知，物體的沉浮決定因素不是排水量，而是物體排開的那部分水體的重力(即浮力F浮=G水)與物體自身重力的大小關系。

　　四、結束語

　　由以上論述可以發現，無論是船艦還是其它物體，其在水中是上浮還是下沉，其最終沉到水底還是浮于水面，其重力、排水量與浮力的關系和作用，都有緊密的聯系。同時，可以認識到，船體能浮于水面的本質原因不是其底部的弧面形狀，底部弧形除了是適應流水線的要求外，也增加了自身體積，隨自身重力作用和吃水深度(即船艦沉入水下部分的最大高度)增加，從而增大了排水量，加大了船體所受到的浮力。浮力的增大才保證一定重量的船艦能浮于水面。

　　當前，排水量應用還很廣泛，比如隱形潛艇設計方面，排水量的大小也直接影響著潛艇的隱形效果。在今后的發展中，排水量的作用將會更加重要。