初中物理浮力

Question

我学识短浅,但是在复习到浮力的时候我产生了一个疑问

根据沉浮关系:
当F浮＞G物时,上浮,最终结果漂浮.
当F浮＜G物时,下沉,最终结果沉底.
当F浮＝G物时,悬浮,即物体可以停留在任何深度.

和浮力公式:
F浮=ρgv

假设往一个水里用力砸入一个气皮球,那么皮球会撞入水中弹出来反复的弹到惯性被完全消耗完为止浮在水面上

物体的重力不会改变,那当气排球完全没入水中的时候,浮力公式中的各个量也都一样了,气排球的重力也是不会改变,但气排球还是会下沉之后上浮,并且书里也没提到考不考虑惯性,因此我的疑问是是否沉浮关系有矛盾或者有我不理解的地方还望指教

Answer 1

首先，关于惯性。惯性是物体的固有属性，是一定会存在的。
把一个气排球砸入水中，这个过程还是挺复杂的，存在一系列复杂的能量转化过程：
一：小球是硬球的情形
首先，假设这个气球是个硬气球，它的外形不会改变的话，会有部分体积或全部体积没入水中，此时球的速度方向是竖直向下，受到重力和浮力。由于浮力大于重力，而且在球持续没入水的过程中，V排持续增大，所以浮力是逐渐增大的，使小球做变加速直线运动，而且这个加速度越来越大，小球速度越来越小，直到v=0。
在这一瞬间，小球处于静止，沉入水中的深度也达到最深，所以V排达到最大值，浮力也达到最大值，浮力大于重力，加速度方向竖直向上。然后，小球做变加速直线运动，运动方向向上，加速度减小，速度增加，直到小球漂浮平衡点位置时，F浮=mg，此时加速度为0，小球运动速度最大，合外力为0，仍然要继续向上运动，小球浸入水中的深度进一步减小，浮力进一步减小，F浮小于重力，合力方向向下，做变加速直线运动，直到最高点，速度为0，加速度方向向下，小球静止。此时小球有可能已经飞离水面。
然后小球下落，沉入水中，再浮起，这个过程可能往复数次，直到静止。
二：小球是软球的情形：
这个过程还会更加复杂，因为小球可以拥有弹性势能，成为能量载体，进行能量的吸收与释放。
小球落入水面时，一方面会有部分或全部体积沉入水面，另一方面，小球会改变形状，底部由于受到压力而变扁，使得小球在压缩过程中吸收部分动能成为弹性势能，更加难以下沉。其它过程和硬球一样，也是下降过程中会通过漂浮平衡点，F浮大于mg，小球先下沉再浮起。
*三：其它的过程
3.1小球的发热
物体因为无规则热运动而具有内能，当小球体积压缩，而气体分子数不变时，气体的无规则碰撞会加剧，宏观表现为温度上升。如果小球是一个绝热小球，即它是一个无法吸热和放热的小球的话，当球的体积一压缩，小球温度就升高；当小球体积一舒张，小球温度就降低，最终小球内的温度会反复升降几次，达到最初的水平；如果小球是一个不绝热小球，那么小球压缩温度升高之后，会向周围的水中传递热量，假定水的质量比小球里面空气质量大得多，小球每压缩一次，就会把热量释放一次，最终小球的温度会恢复为环境的温度。小球损失的热能来源于小球的初动能，所以会得出这样一个结论：绝热气球在砸入水中之后，由于没有热损耗，会比不绝热气球下沉的更深！
3.2小球的绝对深度和相对深度（关于流体）
说一下流体的概念：形状可变，体积不变的物体，一般为气体和液体。理想流体特征是不可压缩和无摩擦，非理想气体要么可压缩，要么分子间有摩擦。假定水是理想流体，那么小球砸入水的过程中，对于小球和小球附近运动了的水组成的系统来说，存在动量守恒：气球入水前的动量，等于气球入水后的动量加水的动量，所以小球正下方的很多水分子会随着气球向下运动，而周围的水分子由于受到突然增加的压力被挤到别处，使得周围的水位升高，而气球所在处水位降低，这样一来，气球浸入水面的深度h'就小于气球距离水平面的深度h。
顺便说一句，如果考虑到水是可以压缩的，那么在水压缩的时候，水的温度也会升高，这部分能量同样来源于气球的初动能；还有水面的振动，这部分动能也是统统来源于球的初动能，都会导致小球沉入水中的深度比理论值要浅。
3.3表面张力消耗的动能
如果小球初速度极快，以至于在首次沉入水面之后又飞离水面，那么在小球离开水的一刹那，小球必须克服水面的表面张力（简单地说就是水面的水分子会向下拉扯小球上沾着的水分子）而做功，这会消耗小球的动能，导致小球飞离水面的高度比理论值偏小