截面为正方形的四棱柱,漂浮在液面,是面向上稳定还是一棱向上稳定?如图1。
这个问题,好像很简单:因为这两种情况中棱柱所受的浮力是相同的,所以两种情况可以随便出现。其实,并非如此。这是为什么呢?
用不同材料作成的四棱柱漂浮在不同的液体中做实验,即可发现:一条棱朝上还是一个平面朝上,是与棱柱对液体的密度比有关的。当棱柱与液体的密度比近乎0或1时;棱柱就以一面朝上漂浮;当其密度比介于0与1之间时,棱柱的一条棱朝上,即两个侧面与水平面成45°角。为什么?
这个问题实质是浮体的稳定性问题。
判定浮体稳定性常采用的方法是:把原浮心、重点两点连线的方向称为浮轴,过新的浮心作一铅垂线(即新的浮力作用线),该作用线与浮轴有一交点为P,夹角为a。P点称为浮体的定倾中心,a就是浮体的偏转角。实践表明,在浮体偏转较小时(a<15°),可以认为定倾中心P点的位置不变,这样浮体平衡的稳定性就可以通过定倾中心P点的位置加以讨论。定倾中心P到重心C的距离CP叫定倾半径,d=CP。
根据流体力学的知识,定倾中心
其中是r浮体排开的流体体积,zG是浮体的重心高度,zF是浮心高度,I是浮体与液体的交面对过其形心的轴线的最小二次矩(I=x2dA,dA为面元,显然I乘以质量面密度σ,得就成为转动惯量或惯性矩),d为定倾半径,
设棱柱的密度为p木,边长为a,一个面朝上漂浮时浸入液体的深度为h。如图2,液体的密度为p液,则此时棱柱与液面的交面对过其形心的轴线的最小二次矩为
而此时
当d>0时,棱柱为稳定平衡;当d<0时,棱柱为不稳定平衡。
d>0时有,
,解之得当0.211a>h>0.788a时,d>0,为稳定平衡状态。
当棱柱一面朝上处于稳定平衡时,根据二力平衡原理,重力等于浮力,即mg=F,则得,将h代入上式得:0.211>>0.788时。棱柱为一面朝上。当0.211〈〈0.788时。棱柱为一条棱朝上。这与实验结果是吻合的。
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