再議浮力的方向是否為豎直向上

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148（2025）4-0068-2

通常認為，浸在流體中的物體受到的浮力方向是豎直向上的，教科書（滬科版2024年修訂版）也是如此陳述的。但亦有學者認為，物體所受的浮力方向并非一成不變地指向豎直上方，因為當流體運動時，物體受到的浮力方向就可能發生偏移，不一定還是豎直向上的。以下結合流體靜力學和流體動力學對比進行探討。

1 認為浮力方向并非豎直向上的觀點

《浮力一定是豎直向上嗎？》一文（以下簡稱“文獻1\"）通過理論分析和實驗探究，認為處于旋轉狀態下的液體其表面會自然形成中央凹陷、邊緣隆起的拋物線形狀，如圖1所示。

水平浮力與常規豎直向上的浮力共同作用，對物體施加了一個合力，文獻1將這個合力稱為“合成浮力”，并由此認為浮力的方向并非都是豎直向上的。

本文不認同文獻1的觀點，因為文獻1將浮力“泛化\"了，物體受到的水平方向的力并不屬于浮力。

2 對浮力的深入分析

2.1 流體靜力學中浮力的方向分析

最早對浮力進行深人研究的是阿基米德，他的發現奠定了靜態力學和流體靜力學的基礎。

流體靜力學是研究流體在靜止狀態下的力學規律的學科。阿基米德的著作《論浮體》是古代第一部流體靜力學著作，阿基米德因此被尊為流體靜力學的創始人。在《論浮體》中，阿基米德提出了著名的“阿基米德原理”：重于流體的固體放在靜止的流體中，所減輕的重量等于排去流體的重量。這一原理因與他解決王冠問題聯系起來而廣為人知。

當物體部分或全部沉浸于此類旋轉液體中時，其兩側因液體深度差異而承受不同的壓力，這種壓力會形成一水平方向上的浮力。這一

在流體靜力學中，流體在自身重力的作用下內部壓強呈現出下大上小的規律，從而會對浸在其中的物體的上下表面產生大小不同的壓力，物體受到的壓力差就是浮力。當流體處于靜止狀態時，浮力的方向為豎直向上，與重力的方向相反。

2.2 流體動力學中浮力的方向分析

流體動力學是研究流體在流動狀態下的力學規律的學科。流體靜力學和流體動力學是流體力學的兩個重要分支。

當流體流動時，流體由于自身重力而對浸在其中的物體施加的浮力仍然存在（特殊情況除外，例如流體完全失重等），只是流體因為流動可能會“額外\"對物體施加力，兩者構成了流體總動力。在各細分領域中，那些“額外\"的力通常不歸類于浮力，而是與浮力區分研究。例如，在空氣動力學中，飛機飛行時受到的升力、阻力等力并不歸類于浮力，而是區別于浮力被單獨研究，升力還有其專門的計算公式： L = ρ V T （升力 氣體密度 × 流速 x 環量值）2]。再如，航行在水面上的船除了受到浮力，還可能受到船吸效應（兩船并排靠近行駛時會互相“吸引”）等各種情況下的橫向力，這些橫向力通常也被單獨研究，而不是歸類為浮力[3]。

既然流體因流動而“額外\"對物體施加的力并不屬于浮力，那么流體動力學中浮力的定義仍然應當是：流體由于自身重力形成的壓強梯度對浸在其中的物體施加的力。基于此定義，流體動力學中浮力的方向也應是豎直向上的。

當然，也有不少情況下物體在流體中并不會受到浮力。例如，當流體和物體一起完全失重時，物體就不受流體對其的力，自然也不受浮力。亦有一些情況下，流體因為運動而對物體施加的力并沒有被明確命名和詳細研究，但無論如何不能將其歸類于浮力。

2.3 文獻1中錯誤之處分析

文獻1中旋轉的液體確實會對浸在其中的物體產生一個水平方向的力，但文獻1將其稱為“水平方向的浮力”是不合理的。

文獻1中所述的旋轉液體，本質上是一種漩渦。漩渦對浸在其中的物體施加的力被細分為浮力、繞流升力和漩渦吸力等[4]。分析可知，文獻1中物體受到的水平方向的力屬于漩渦吸力，而非浮力。文獻1的主要錯誤在于，其將水平力歸類于浮力，于是得出浮力的方向并不一定都是豎直向上的。這是將浮力“泛化\"了，混淆了浮力和其他力。

顯然，文獻1認為流體對物體的力都應當歸類為浮力，按照此觀點，飛機升力也算是浮力，這顯然是不準確的。

3 結論與教學建議

浮力特指流體由于自身重力形成的壓強梯度而對浸在其中的物體施加的力。在流體動力學中，物體還可能受到流體因為流動而“額外\"施加的力（如阻力、升力等），但這些力在各個分支學科中并不被歸類于浮力。因此，可以認為浮力的方向是豎直向上的。

一些學者把流體因為流動而“額外”對物體施加的力也歸類于浮力，從而認為浮力并不一定都是豎直向上的，這是對流體動力學和流體靜力學的混淆，也是對浮力和其他力的混淆。

現行各版本初中物理教科書的編排中，浮力內容均在升力內容之后。建議在浮力教學中，應為學生厘清浮力和升力?？梢韵驅W生介紹：雖然兩者均由壓力差產生，卻又有本質的不同。浮力的產生原因為：物體上下表面所處的深度不同，流體由于自身重力的存在使其內部壓強上小下大，繼而對物體上下表面產生壓力差。升力的產生原因為：物體的不同表面接觸的流體流速不同，由于流體在流速大的地方壓強小，從而使得物體不同表面受到不同的壓力而產生壓力差。浮力的方向是豎直向上的，而升力的方向不一定豎直向上。通過對比，學生可將所學的知識融會貫通，理解流體與物體相互作用的復雜機制，發展力與相互作用觀等物理學科核心素養。

參考文獻：

[1]邢小麗，鄒靜.浮力一定是豎直向上嗎？[J].物理教師，2023，44（2）：72-73.

[2]劉沛清，郭知飛.飛行器的升力、阻力及升力與環量定理的起源[J].力學與實踐，2019，41（6）：739-744.

[3]劉歐，宋國賓，袁小亮，等.考慮船間效應和操縱性能的內河船舶追越風險模型及應用[J].中國航海，2024，47（1）：1-8，17.

[4]陳小莉，馬吉明.豎軸旋渦對丁壩壩頭塊石顆粒起動的影響[J].水力發電學報，2007，26（5）：97-101，79.

（欄目編輯 蔣小平）