原问题是分两步问的:
氢气球为什么会往上飘?(等你回答之后再问)这和地球引力有关系吗?
第一个问题显而易见,直接应用阿基米德浮力定律,物体受到的浮力等于它排开的流体所受到的重力(引力)。氢气球本身的重量显然小于同体积的空气,所以气球往上飘。
如果我没听说过阿基米德浮力定律呢,我可以这样解释,和空气密度同样的一个“假想气球”,它显然在空气里是不动的,它受到地球的重力mg,以及周围空气的浮力,二者显然是平衡的,所以浮力=重力。把这个假想气球换成真气球,浮力(由周围空气决定)显然不变,重力(由气球本身)变了,所以上浮。这实际上是,我们借“假想气球”总结出了阿基米德浮力定律。在阿基米德时代,人们还不了解什么叫引力,所以浮力定律才是阿基米德的天才发现。今天来看,我们用简单的力的分析就能得出来。
那么问题来了,为什么这里浮力里面有个g呢?也就是题目中第二个问题,为什么这里会是跟重力/引力加速度有关呢?阿基米德定律背后是地球引力吗?
没错,大气正是由于地球引力才被束缚在地球上的,像月球那么小的天体,引力太小,原本可能存在的气体也飞走了。进一步分析我们的“假想气球”,它左右位置受气压是大小相等方向相反的,所以水平方向合力为0,下表面气压要小于上表面气压,这个气压差导致了浮力的产生。而浮力=mg,表明气压也就是等于气体本身的重力。大气压,我们就可以说,是大气层被引力束缚压在地球上所产生的。
也就是说,压强差是由于引力导致大气分层所产生的,尽管我们体会不到周围的大气也是分层的,各层压力随高度有变化,但氢气球就体会到了(嗯,与空气相比,还是我们密度太大了)。这种高度效应在宏观还是很明显,比如你爬到高山顶上,空气就有些稀薄了,爬上青藏高原,高原反应就来了。随着气压变化,温度等条件也会产生变化。
换句话说,如果没有地球引力,也就不会有浮力,气球也就不会往“上”飘了。上下本来就是由引力决定的,空间站里(有引力,但用来做旋转了,所以相当于)零重力,东西会飘来飘去,但没有明确往上飘。那么脑洞一下,空间站里的火焰是什么样子的?多长时间会熄灭?
从这里可以推出一个有意思的结论,高中的时候会遇到,就是地面所受压力,等于所有大气的重量(地球旋转的效应暂忽略),也就是海平面大气压乘以地球面积(地形起伏也暂忽略)。
从气压的概念,我们还能回忆起来,流体传递的是压强,比如U形管的平衡。如一个木块放在水里漂着,它的上表面收到的压强是大气压,下表面受到的压强是大气压+浸没这部分水高度产生的压强。大气压是传递过来的,上下抵消,所以我们只要算木块重量=排开水的重量就可以了,大气压在这里不必考虑。
这里我们可以略开谈一下物理学模型。大气或水本身是很复杂的,分子热运动或宏观效应造成流体内部行为模式非常复杂,对布朗运动的解释曾经困扰了物理学家很多年。但我们完全没有考虑它们,只考虑了引力引起的压强差产生浮力。这就是说,物理学模型就是抓住影响问题的主要因素,来解决实际问题。
比如说,如果我们要计算屋子里空气的质量/重量,因为相对于大气压来说,屋子不同高度气压变化很小,密度变化也可以忽略,你用标准大气压密度乘以体积也就可以了,也就是说,我们这时候把屋子里的空气看作被大气层压着的一块儿“均匀气体”,进一步忽略了高度细节。在解决不同的问题的时候,对物理学模型细节的考虑是不一样的。
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