浮力計算器
輸入流體密度 ρ 與排開體積 V,依阿基米德原理 Fb = ρ·g·V 算出物體所受的浮力(牛頓)。
輸入資料
計算結果
重點速覽:浮力(buoyant force)是浸在流體(液體或氣體)中的物體所受的向上托力。阿基米德原理指出:浮力大小等於物體『排開流體的重量』,即 Fb = ρ·g·V,其中 Fb 是浮力(牛頓,N)、ρ 是流體密度(kg/m³)、g 是重力加速度(9.81 m/s²)、V 是物體排開流體的體積(m³)。逐項解釋。浮力來源是靜水壓隨深度增大——物體底部受到的向上壓力大於頂部的向下壓力,兩者的合力即向上的浮力,其大小恰等於同體積流體的重量 ρgV。浮力與流體密度成正比(在密度大的流體中浮力大,故物體在海水比清水更容易浮)、與排開體積成正比。物體是浮是沉,取決於浮力與重力的比較:物體平均密度小於流體則浮(浮力>重力)、大於則沉、相等則懸浮。舉例,一物體完全浸沒排開 V = 0.001 m³(1 升)清水(ρ = 1000):Fb = 1000 × 9.81 × 0.001 = 9.81 N,恰等於 1 kg 水的重量。若排開體積為 0.01 m³,浮力 = 98.1 N。用途:其一,船舶、駁船、浮台的載重與吃水設計(排水量=載重);其二,潛艇、潛水器的浮沉控制(改變排開體積或配重);其三,氣球、飛艇的升力(空氣浮力);其四,密度計、比重計與物體密度測量(浮沉法)。使用浮力與本工具要注意幾點:一是 V 是『排開流體的體積』——完全浸沒時等於物體體積,部分浸沒(漂浮)時只算浸入部分;二是 ρ 是『流體』密度(水、海水、空氣等),不是物體密度;三是浮力方向恆向上;四是浮沉由浮力與物體重力比較決定;五是單位一致(SI:ρ 用 kg/m³、V 用 m³,得 N)。總之,浮力由阿基米德原理 Fb=ρgV 求得,等於排開流體的重量,是船舶、潛艇與浮沉判別的基礎。
計算公式
阿基米德浮力:Fb = ρ · g · V,g = 9.81。
ρ 流體密度(kg/m³)、V 排開體積(m³);Fb 單位 N。
浮沉:浮力 > 重力則浮、< 則沉、= 則懸浮。
$$F_b = \rho\,g\,V$$使用說明
- 填入流體密度 ρ(kg/m³;清水 1000、海水約 1025)。
- 填入物體排開流體的體積 V(m³;1 L = 0.001 m³)。
- 系統依 Fb = ρgV 算出浮力(N)。與物體重量比較判斷浮沉。
清水(ρ=1000 kg/m³)中不同排開體積的浮力
| 排開體積 V (m³) | 浮力 Fb (N) | 相當於水重 (kg) | 備註 |
|---|---|---|---|
| 0.0005 | 4.905 | 0.5 | 半升 |
| 0.001 | 9.810 | 1.0 | 基準(1 升) |
| 0.01 | 98.100 | 10.0 | 10 升 |
| 0.1 | 981.000 | 100.0 | 100 升 |
| 1 | 9810.000 | 1000.0 | 1 立方米 |
浮力等於排開流體的重量:排開 1 升清水的浮力 9.81 N,恰為 1 kg 水的重量。在海水(ρ≈1025)中同體積浮力約大 2.5%。
理財情境案例
船舶載重與吃水
一艘駁船排開 200 m³ 海水(ρ≈1025),浮力 Fb=1025×9.81×200≈2011050 N。
換算約可承載 205 噸(含船身自重)——排水量等於總載重。
增加貨物時船體下沉、排開更多水,浮力增大直到再次平衡,這就是吃水加深的原理。
物體浮還是沉?
邊長 0.1 m 的木塊(體積 0.001 m³、質量 0.6 kg,密度 600 kg/m³)放入清水。
完全浸沒時浮力 Fb=1000×9.81×0.001=9.81 N,重力=0.6×9.81=5.886 N。
浮力>重力,木塊上浮,最終只浸入 60% 體積(排開 0.6 kg 水)達平衡——因木塊密度為水的 0.6 倍。
常見問題
浮力為什麼等於排開流體的重量?
這是阿基米德原理,可由靜水壓推導。物體浸在流體中,各面都受到靜水壓,而壓力隨深度增大,因此物體底部受到的向上壓力大於頂部的向下壓力。把各面壓力的合力算出來,向上的淨力(浮力)恰好等於『與物體同形狀、同體積的那團流體』的重量,也就是排開流體的重量 ρgV。直覺上,物體佔據了原本屬於流體的空間,流體『想把它推開、填回原位』,這股推力就是浮力。這個結論不論物體形狀、密度如何都成立,是流體靜力學的基本原理。
物體是浮還是沉,怎麼判斷?
比較『浮力』與『物體重力』,等價於比較『流體密度』與『物體平均密度』。完全浸沒時:若物體平均密度小於流體密度,浮力大於重力,物體上浮(浮到部分露出、排開體積減少直到浮力=重力達平衡漂浮);若物體密度大於流體密度,重力大於浮力,物體下沉;若兩者相等,物體可在任意深度懸浮。例如木頭(密度<水)浮、鐵塊(密度>水)沉。這也解釋了為何同一物體在密度較大的海水或死海中更容易浮起。
『排開體積』要怎麼算?完全浸沒和漂浮不同嗎?
不同。排開體積 V 指物體『實際浸入流體部分』所佔的體積。若物體完全浸沒(沉底或懸浮),V 等於物體的全部體積。若物體漂浮在液面,只有浸入水面下的部分算數,V 等於浸入部分的體積(露出水面的部分不排開液體)。漂浮平衡時,浮力恰等於物體總重,由此可反推浸入體積(吃水)。本工具直接以你填入的排開體積 V 計算浮力;分析漂浮問題時,應填浸入部分的體積,而非物體總體積。
空氣也有浮力嗎?氣球怎麼升空?
有。任何流體(包括氣體)都對浸入其中的物體施加浮力,只是空氣密度很小(約 1.225 kg/m³,僅為水的約 1/800),浮力通常很微弱,日常可忽略。但當物體體積很大或內部氣體很輕時,空氣浮力就足以升空:熱氣球內的熱空氣密度小於周圍冷空氣,氦氣球內的氦氣更輕,只要浮力(=排開空氣重量 ρ_空氣·g·V)大於氣球加載荷的總重,就會上升。飛艇同理。本工具的密度欄位填空氣密度(約 1.225),即可估算空氣浮力。
浮力和物體的重量、材質有關嗎?
浮力本身只跟『流體密度、重力、排開體積』有關,與物體的材質、重量無關——同體積的鐵塊和木塊,完全浸沒時受到的浮力相同。但『物體會不會浮』則取決於浮力與物體重量的比較,這才與材質(密度)有關:密度大的鐵塊重量超過浮力而下沉,密度小的木塊浮起。所以要區分兩件事:浮力大小由排開體積決定(與材質無關),浮沉結果由浮力與重力比較決定(與材質相關)。本工具算的是浮力大小,浮沉須自行與物體重量比較。
相關工具
參考資料
內容審核:香港計算器科學團隊。V 為排開流體體積(浸沒=全體積、漂浮=浸入部分);浮沉須與物體重量比較。