船為何能浮

巨型遊輪、貨輪與油輪雖重達數十萬噸，仍能自在航行於海面；相較之下，一塊體積與重量遠小於船舶的石頭卻會沉入海底，原因何在？

常看到一些木頭能浮在水上，鐵塊卻沉入水中，但是現代的船幾乎都是用鐵造的，即是並不是材料的關係？是什麼決定是浮是沉呢？

阿基米德原理

阿基米德原理，也被稱為浮力定律，是解釋物體在液體中能否浮起的核心規律。它指出：當一個物體浸入液體時，液體會對它產生一個向上的浮力，而這個浮力的大小，正好等於物體所排開液體的重量。換句話說，物體在水中能否漂浮，取決於它排開的液體重量是否足以抵消自身的重量。

阿基米德原理的應用可以在許多日常例子中觀察到，例如，當你把一顆葡萄放入一杯水中，它會下沉，因為它排開的水重量不足以抵消自身重量。但如果把葡萄放入濃鹽水中，它卻能浮起，這是因為鹽水的密度較高，排開的液體重量增加，浮力也因此增大。

再如，冰塊漂浮在水面上，也是阿基米德原理的體現。冰塊浸入水中時，水對它施加的浮力正好等於冰塊排開的水的重量。由於冰的密度比水低，浮力足以支撐它的一部分重量，使冰塊有一部分露出水面。

平均密度

平均密度是一個用來衡量整體物體「重量分布」的概念。它的計算方式是將物體的總質量除以它所佔據的總體積，得到一個平均值。這個數值能夠反映物體在液體中受到浮力時的整體表現，而不僅僅是某一部分材料的密度。

在判斷物體能否浮起或下沉時，平均密度扮演著關鍵角色。如果一個物體的平均密度小於液體的密度，那麼它排開的液體重量就足以提供足夠的浮力來支撐物體，結果是物體能浮在液體表面；相反，如果物體的平均密度大於液體的密度，浮力不足以抵消物體的重量，它就會下沉。

例如，一個充滿空氣的球體雖然外殼可能是密度較高的材料，但因為內部是空心的，整體平均密度低於水，所以能漂浮在水面上。而一塊實心金屬塊，平均密度遠高於水，放入水中便會直接沉底。

船雖然重量驚人，但它能浮起來的關鍵在於結構設計與平均密度的控制。平均密度是用船的總質量除以它所佔的總體積來計算的。雖然船體材料多半是鋼鐵這類高密度物質，但船並不是實心的，而是中空的，內部包含大量艙室與空間，這些部分充滿空氣，使得整體平均密度大幅降低。

當船放入水中時，它會排開相當體積的水。根據浮力定律，水對船施加的浮力大小等於被排開水的重量。如果船的平均密度低於水，排開的水重量就足以抵消船的重量，浮力便能支撐船，使它穩定漂浮。這也是為什麼即使船身由沉重的鋼鐵建造，只要結構設計合理，平均密度仍能保持在低於水的範圍，船就能安全地浮在水面上。

船的每一處密度都不相同，只要平均密度低於水，就能浮起來，船體密度低的地方會分散密度高的地方的重量。

排水量

排水量是指船隻在水中所排開的水的重量。當船放入水裡，它會壓下水面，排開一定體積的水，而這些被排開的水的重量就是排水量。根據阿基米德原理，浮力的大小正好等於排開水的重量，因此排水量直接反映了船在水中所受到的浮力。

排水量的作用非常重要，其中最直接的一點就是它能讓我們知道船的重量。原因在於，當船處於漂浮狀態時，它的重量必須與浮力達到平衡，而浮力正是由排水量決定的。換句話說，船能穩定漂浮的條件就是：船的重量等於它所排開水的重量。因此，只要測量船在水中排開多少水，就能精確推算出船的重量。

除了判斷船的重量之外，排水量還是船舶設計與航海工程的核心指標。它能幫助工程師規劃船的載重量、穩定性與安全性，也能用來比較不同船型的規模與用途。透過排水量，人們不僅能掌握船隻的重量，還能確保船在滿載或航行時保持安全與穩定。

水的密度

船能不能浮起來，除了取決於自身的設計與平均密度之外，水的性質也是一個關鍵因素。不同的水體因為成分與密度差異，會直接影響浮力的大小。

在河水中，水的密度接近純水，浮力大小相對標準。物體要能漂浮，必須平均密度低於河水的密度，否則就會下沉。這也是為什麼在淡水湖泊或河流裡，人需要努力保持身體姿勢才能漂浮。

海水因為含有鹽分，密度比淡水高。當同一物體放入海水中，它排開的水重量比在河水中更大，因此浮力也更強。這使得船隻或人類在海水裡比在河水裡更容易漂浮，甚至能承載更多重量而不下沉。

死海則是極端的例子。死海的鹽分濃度極高，密度遠大於一般海水，因此浮力非常強。人在死海裡即使不會游泳，也能輕鬆漂浮在水面上。對船隻而言，這種高密度水體提供的浮力更大，幾乎不可能讓船下沉。

潛水艇

潛水艇能夠在水中自由控制浮或沉，靠的就是它特殊的結構設計與浮力調節系統。核心原理仍然是阿基米德浮力定律，但潛水艇利用「壓載艙」來改變自身的平均密度，進而決定它在水中的狀態。

壓載艙是一種可以注入或排出水的空間。當潛水艇需要下潛時，壓載艙會灌入海水，使潛水艇的總重量增加，平均密度超過周圍水的密度，浮力不足以支撐它，潛水艇便會慢慢下沉。

相反，當潛水艇需要上浮時，壓載艙中的水會被壓縮空氣排出，艙內重新充滿空氣，整體重量減輕，平均密度降低到小於海水的密度，浮力便能將潛水艇推升到水面。

除了基本的浮沉控制，潛水艇還能透過精細調節壓載艙中的水量，達到「中性浮力」的狀態。這時潛水艇的重量與浮力完全平衡，它既不下沉也不上浮，可以穩定地懸停在某一深度。這種能力對潛水艇的作戰與探測任務至關重要，因為它能在水下保持隱蔽與穩定。

因此，潛水艇的浮沉控制並不是依靠推進力，而是巧妙地利用壓載艙改變平均密度，讓浮力與重量之間的平衡隨時可調。這種設計使潛水艇能在水中靈活運動，既能深潛探索，也能安全返回水面。

潛水艇需要準確控制浮沉，以執行任務。