王震元

一片樹葉落在池塘里，就會像小船一樣在水面上飄來蕩去。但是，當(dāng)你把一塊小石頭扔進池塘，它卻會沉到水底。這究竟是什么原因呢？我們聽到的答案往往是：“這太簡單了！因為石頭比樹葉重多了?！?/p>

但是這個答案很容易反駁。因為一根小鐵針扔進水里都要沉到水底，而同樣用鋼鐵制成的萬噸巨輪，卻能乘風(fēng)破浪，橫渡大洋……于是，便有了新的解釋：因為水有浮力。

我們不妨再做一個簡單的實驗：找一桿秤、一根繩子和一塊小石頭，將小石頭懸掛在秤鉤上。提住秤紐，移動秤砣，稱一下小石頭有多重。再拿一杯水，讓掛在秤鉤上的小石頭浸到水里，但不要碰到杯底。這時，你可以看到，有秤鉤的一頭翹了起來，掛秤砣的一頭往下墜了。這表明小石頭浸到水里后，就變輕了。我們只要移動一下秤砣，就很容易算出小石頭在水里的重量，而這減輕的部分，就是小石頭在水里受到的浮力。由于小石頭受到的浮力明顯小于其重量，托不住小石頭，小石頭自然就只能沉到水底。而樹葉受到的浮力剛好和它的重量相等，所以就能浮在水面上。小鐵針與萬噸巨輪在水中的沉浮也是同樣的道理。這就奇怪了：為什么水的浮力有時候力大無窮，有時候又如此微不足道呢？這就要從一個古老的傳說講起……

王冠“摻假”之謎

公元前3世紀(jì)，阿基米德剛從埃及的亞里山大里亞回到自己的故鄉(xiāng)——西西里島上的敘拉古，就接到了他的親戚、國王艾希羅下達的一個緊急任務(wù)。原來為歡度一年一度的盛大祭神節(jié)，艾希羅交給金匠一塊純金，訂制了一頂非常精巧、華麗的王冠。金匠不但用腦袋擔(dān)保王冠絕未摻假，而且他當(dāng)場用秤測定王冠與原金塊重量相等。但在場的一位大臣指出，如果黃金中摻入了銀子，重量同樣可以不變。

國王感到此話有理，于是請阿基米德裁決。這本來并非難題，因為每種純物質(zhì)都有固定的比重。所謂比重，就是該物質(zhì)的重量與同體積水的重量比值。但是要計算王冠的比重，必須先要知道王冠的體積。但王冠并不是一塊方方正正的金磚，形狀既不規(guī)則，上面又雕滿了凹凸不平的花紋，而國王又舍不得把王冠掰開來看一看。阿基米德雖然精通數(shù)學(xué)，卻一時也找不出計算王冠體積的公式……

阿基米德辭別國王后，幾天里就像癡了一樣不吃不喝。朋友們看他這樣下去身體會吃不消，就勸他洗個澡，提提神。

于是，阿基米德去了一家豪華的公共澡堂。但即便他坐進盛滿水的澡盆時，也還在繼續(xù)想那個難題。此刻，一些水因他的進入從盆邊溢了出來，他感到自己的身子忽然輕了很多。他眼前一亮，猛地從澡盆里跳了起來，忘了穿衣就直接沖出澡堂，在大街上一邊裸奔，一邊大喊：“攸勒加！攸勒加！”

“攸勒加”是“我知道了”的意思。阿基米德知道了什么呢？科學(xué)史上雖然記載得比較模糊，但大致可作這樣的推斷，他從浴缸溢出水的體積，與自己身體投入水中的體積大致相等這一現(xiàn)象，產(chǎn)生了以下的聯(lián)想：只要先把王冠稱一下有多少重，再把王冠放在盛滿水的盆里，稱一下從盆里溢出來的水有多少重，最后將王冠的重量與溢出來的水的重量一比，就可算出王冠的比重來。

于是，阿基米德找到國王，命人拿出一只小盆子，盆里裝滿了水，然后把它放進一只大盆子里。阿基米德首先將王冠放進小水盆里，沉沒后溢出的水淌在大盆子里，然后細(xì)心地將溢出的水收集在一只杯子中。接著，阿基米德將一塊與王冠重量相等的純黃金，按上述程序同樣操作，并請國王把收集在兩只杯子里的水量做個比較。大家一眼便知前一只杯子里水多，后一只杯子里水少。這說明王冠雖然與那塊純金的重量相等，但體積比純黃金大，或者說比重小于純黃金。因而，王冠的黃金成分不純已然是公論。

耐人尋味的是，若干年以后，有一個老婦人上門拜訪阿基米德，她拿出一個黃金做的圓球請他鑒定其純度。阿基米德仍用排水法測定體積，結(jié)果他以比重為參照，作出了金球被摻進了其他成分的推斷。聽到這個結(jié)論后，老婦人氣憤地將金球一切為二，發(fā)現(xiàn)竟是空心的。原來老婦人就是那位做王冠工匠的母親，她為了替兒子伸冤故意為之。顯然當(dāng)年阿基米德疏忽了王冠上無數(shù)金飾中有許多是空心的這個事實。

不論這個傳說真實性如何，卻表明運用阿基米德排水法直接測定某種物質(zhì)的比重，必須同時滿足兩個條件：該物質(zhì)既是實心的，又必須全部沒入水中。但是物體在水中受到的浮力，等于它所排開的同體積水重——這條被尊稱為“阿基米德浮力原理”的定律，卻是完全正確的。這條定律后被他寫入羊皮紙質(zhì)的專著《浮體論》中。這本十分珍貴的手稿直到2000多年后，才在耶路撒冷圖書館被人們發(fā)現(xiàn)……

懷丙和尚揭榜

實際上，根據(jù)古籍《墨經(jīng)》的記載，早在2500年前，我國先人已經(jīng)掌握了浮力的基本原理。北宋治平三年（公元1066年），懷丙和尚利用浮力打撈鐵牛的故事已在坊間傳為佳話。

那一年黃河發(fā)大水，淹沒了莊稼、沖毀了房屋，還沖垮了河中府（今山西永濟縣）的一座浮橋。為了固定浮橋，官府在河的兩岸各放了2只大鐵牛，拴浮橋的鐵鏈就系在兩岸的這4只鐵牛身上。每只鐵牛雖然重達萬斤，但這次水勢實在兇猛，不但浮橋被沖垮了，4只鐵牛也陷到河底的淤泥中去了。由于這座浮橋是連接山西、河南和陜西三省的樞紐，十分重要，因而洪水剛退，官府就立即著手重建。別的都好辦，就是如何打撈鐵牛成了一個十分棘手的問題。于是，官府貼出了招賢榜，重金懸賞打撈者，觀者雖多，但無人敢去嘗試。最后揭榜者竟是一名法號“懷丙”的和尚。他的打撈方法如下：首先派幾個熟悉水性的人潛入河底，摸準(zhǔn)鐵牛的沉沒位置。接著，把兩艘很大的木船并排拴在一起，并在船上裝滿泥沙。兩艘木船之間，還用很結(jié)實的木料搭了一個架子，然后將其停泊在鐵牛沉沒的地方。他讓人把鐵索的一端拴在兩船之間的木架上，另一端則拴在鐵牛上。這一切準(zhǔn)備妥當(dāng)后，懷丙和尚命人把船上的泥沙一鏟一鏟向河里扔，兩艘大木船隨著泥沙的減少不斷往上浮。幾個小時之后，鐵牛終于從淤泥中被拔了出來，岸上百姓一片歡呼……

懷丙和尚實際上就是運用了浮力原理。當(dāng)兩艘木船裝滿萬斤泥沙時，木船的浮力等于船和泥沙重量之和，所以吃水很深。而當(dāng)泥沙不斷減少時，木船的浮力開始增加，這一部分多余的浮力就將鐵索往上緊拉，最后木船浮力超過了鐵牛在水中的重量時，鐵牛就被拽出了淤泥，露出水面。

“薩特闊號”重見天日

轉(zhuǎn)眼800年過去了，到了清朝道光年間，朝廷向國外購置了一批武器。其中一艘載著一尊2000多斤大炮的大木船，行駛到溫州附近海面上時突遇強臺風(fēng)，連船帶炮一起沉入海底。

這時，水手任昭材自告奮勇地站了出來。他帶領(lǐng)8艘木船來到沉船的海面上，又將每兩艘船拴在一起，其中一艘裝滿了石子，另一艘則是空的，船中間還鋪設(shè)了木板。任昭材親自潛入海底，把4根繩索拴在沉船的船頭，另外4根則拴在沉船的船尾。這8根繩索的另一端，則分別拴在8艘木船上。

然后，任昭材命人把船上的石子，一擔(dān)又一擔(dān)地挑到空船上。隨著石子的逐漸減少，4艘原本吃水很深的石子船漸漸往上浮。4根拴在船上的繩子都繃得緊緊的，沉船自然漸漸被往上拉。

再看4艘空船的情況，它們原來吃水很淺，石子一擔(dān)又一擔(dān)往上挑后，就漸漸下沉。等到石子全部挑過來后，任昭材又命人把這些船上的繩子收緊，接著再叫人把石子一擔(dān)又一擔(dān)挑回原先盛石頭的船。隨著這4艘木船石頭的減少，它們又漸漸上浮，進一步把沉船往上拉。

木船上的石子每倒騰一回，沉船就被拉高一點，這樣連續(xù)倒騰十多個來回后，裝著大炮的沉船終于浮出了水面。顯然，任昭材與懷丙和尚一樣，都是利用了水的浮力。但任昭材運用8艘船4個組合連續(xù)操作，既克服了沉船與淤泥之間的摩擦力，又克服了船體本身的重力，因而比懷丙和尚“單打一”的方法更巧妙，效率也高許多。

在現(xiàn)代打撈沉船的方法中，有一種與懷丙和尚、任昭材使用的方法相似，這就是“浮筒打撈法”。例如1916年，俄國的“薩特闊號”破冰船，由于船長的重大操作失誤而沉入海底，并整整“沉睡”了17年。

1933年，蘇聯(lián)組織的“水下特工隊”派出潛水員，在船體沉沒的海底掘了12條溝道，并在每條溝道內(nèi)穿過一條結(jié)實的鋼帶。鋼帶的兩頭分別固定在特意沉到破冰船兩旁的浮筒上。所謂浮筒，實際上是一種不會漏氣的結(jié)實的空鐵筒。這些浮筒長11米，直徑5.5米，重達50噸，體積約250立方米。每個浮筒浸泡在水中時，會產(chǎn)生250噸的浮力，因而必須灌滿海水，才能讓它沉到海底。當(dāng)12條鋼帶都固定在浮筒上后，潛水員就開始將4個大氣壓的壓縮空氣打入浮筒內(nèi)，將海水排出。隨著4個浮筒浮力的增加，最終總浮力達到了4800噸，超過了“薩特闊號”破冰船在海水中的重量。終于，這個龐然大物被拽出海面…… （未完待續(xù)）