中国科学技术馆之水中沉浮

◎文图 中国科学技术馆 高婷

“一天到晚游泳的鱼啊鱼不停游……”，这是当年红极一时的歌曲； “海阔凭鱼跃，天高任鸟飞”，这是年少气盛时最爱的诗歌。它们都表达了对鱼儿自由嬉戏的赞美和羡慕。

那么，你是否想过，千姿百态的鱼儿是如何在水中自由沉浮的呢？沉浮现象又与潜水艇有着怎样的联系呢？

中国科技馆二层“探索与发现”A厅的“水中沉浮”展项会帮我们解开这一谜题。只要分别为模型鱼和潜水艇排出气体和水，就会看到鱼和潜水艇分别下沉和上浮的现象。由于潜水艇艇身的中部和鱼的腹部都是透明的，观众可以清楚地看到潜水艇内“沉浮箱”中水量的变化和鱼体内“鱼鳔”体积的变化。

通过对比，你会发现潜水艇的发明是受到了鱼儿的启发。鱼在水中的沉浮，是通过鱼鳔贮存气体的体积变化来完成的：当鱼要浮起来时，肌肉放松，鱼鳔扩大，鳔内充满空气，鱼所受到的浮力变大，鱼就能浮起来；如果收缩肌肉，鳔内气体排出，鱼鳔变小，浮力减小，鱼就下沉。鱼鳔内一定量的气体还能使鱼体比重与水环境的比重相等，这样鱼就会停留在那里，不上升也不下降。

人们发明潜水艇的灵感正是来自鱼的沉浮。根据沉浮原理：浸在水中的物体，当浮力大于重力时，物体就能浮在水面上；当浮力小于重力时，物体就下沉；当浮力等于重力或相差很小时，物体就可以“悬浮”在水中任何位置。

而潜水艇通过两侧水舱的充水或排水来调整船体自身的重量而实现下沉或上浮。打开水舱进水阀，水灌满水舱，潜水艇自身重量增加，重力超过浮力时，潜水艇下沉。关闭水舱进水阀，利用压缩空气把水舱里的水通过排水阀排出，潜水艇自身重量减轻，重力小于浮力时，潜水艇上浮。让部分水舱进水或排放部分水舱里的水，调节潜艇的重量，使重力等于或稍大于浮力，这时，潜艇就能在深浅不同的水域中潜游。

最初的潜水艇并不是利用水舱来控制沉浮的，人们将石头或铅块等重物装进潜艇，使潜艇下沉或者上浮。

现代人用核动力作为推进动力制成核潜艇，水中排水量达到万吨以上，水下续航力达20万海里，在水中能待上2至3个月。从原始的潜艇到现代的核潜艇都是以沉浮原理作为理论依据。