互动科普

有一个小实验称作“浮沉子”，英文是“Cartesian Diver”或“Cartesian Devil”，直译为“笛卡尔水鬼”(未见有标准译法），据说是法国哲学家、科学家笛卡尔创造出来的。不过还是“浮沉子”这个名字好，比较形象地描述了这个实验的现象，所以国内都叫这个名字。在国外早就开发出浮沉子玩具，在国内未见类似的玩具，不过在有些科技馆或者科学课上常有浮沉子实验的演示。

这个实验做起来很简单，但初次看到这个实验的人都会觉得很神奇。一般的实验是在塑料瓶子里装满水，水中有刚好漂浮起来的物体，用力挤压瓶子，物体就沉下去，松开手物体又浮上来。并没有接触到物体，物体怎么会沉浮呢？这其中蕴含着很多流体静力学原理，比如浮力定律、帕斯卡定律等。

帕斯卡原理

浮力定律大家都比较熟悉，是阿基米德发现的，所以也称阿基米德定律。这个定律的意思是，在流体中的物体所受到的浮力的大小等于物体所排开的流体的重量（方向朝上）。物体所以能漂浮在水中是受到水的浮力。在浮沉子小实验中，挤压瓶子，瓶中的物体会沉浮，这种“隔空操控”靠的就是帕斯卡定律，或者叫帕斯卡原理。

帕斯卡原理是说，在封闭静止的流体（不可压缩）中，某一点的压强改变将瞬间大小不变地向各个方向传递。这一点在液压机械中很有用，在液压系统中的一个活塞上增加压强，必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞的面积的10倍，那么作用于第二个活塞上的力将增大至第一个活塞的10倍。这就像杠杆，四两可以拨千斤。

制作浮沉子

首先我们制作一个最简单的浮沉子。按照后面的说明准备一个塑料药水瓶，可以用家里用完的药水瓶，也可到药店去买一个，我们这里用的是藿香正气水瓶。

这种药水瓶长度为6厘米左右，药水没有装满，有一定量的空气，正好可以作为浮沉子。在嘴上裹上铅丝作为配重（我们用的是保险丝，用什么做配重都可以，但用软一点、重一点的金属片或丝比较容易操作，如钓鱼用的铅坠、焊接用的焊条等，甚至橡皮泥也可以），然后将其放在另外准备好的水盆或洗手盆里进行调试。

如果配重少了，露出水面太多，就要增加配重；如果沉入水中，说明配重多了，减一点配重。就这样，重复以上步骤不断调整，直至药水瓶刚好浮出水面。浮沉子实验能否成功，关键在于这个浮沉子的浮力与重力能否平衡，所以请仔细调节配重。

准备一个大塑料瓶，我们用的是饮料瓶。把瓶子灌满水，然后把制作并调好的浮沉子放入其中。如果浮沉子沉下去，那就必须重新调整药水瓶的配重。放入浮沉子后拧紧大塑料瓶的瓶盖，用手指握住塑料瓶两侧用力挤压瓶子，此时会发生什么？

用手挤压塑料瓶，药水瓶沉到塑料瓶底了吧。手放开后，瓶子又会浮上来。控制好用力的强度，瓶子有时会悬浮在水中；随着用力的不同，瓶子会上上下下运动，就像小鱼在游动。

可以在大瓶子中同时放进几个小瓶子，由于重力与浮力的平衡不会都调整到恰到好处，有的受一点压力就会下沉，有的要用较大的力才会下沉。所以挤压瓶子时，不是所有的药水瓶同时下沉，而是有先有后，看上去更有意思。

图1. 用药水瓶制作的浮沉子

使用气球制作浮沉子

做完药水瓶的浮沉子，我们再尝试用气球来做一个浮沉子。首先，准备一个小气球。我们在玩具店买了一个吹起来之后大概有13厘米大小的气球。

这是一个很小的气球，如果不吹起来，直径3厘米左右。在这个气球口处装一个重物，充当重物的材料没有要求，但比重较大的软金属更方便一些。我们使用的是保险丝。剪下一段缠在气球口处，让气球内微微有一些气体。

与刚才一样，让气球在水盆里漂浮。如果气球露出水面的部分过多，可以稍微挤压气球膨胀的部位来调整气球内空气的量，让空气变成气泡排出来，或者再加一点金属配重。我们这里用曲别针，增减都比较方便。

调整到只有气球的顶部稍微露出水面后，将其放至塑料瓶内。

这样，气球浮沉子就制作完成了。之后，我们可以像操作药水瓶浮沉子一样操作欣赏。挤压塑料瓶，气球会下沉，手松开后，气球又浮起来。

即使不用橡胶气球，我们也可以制作与此同样的东西。例如，从厨房里找一个喝果汁用的塑料吸管。

将其剪成约4厘米长，用橡皮泥堵住一端，或者用长一倍的吸管对折起来。在吸管另一端开口处缠上重物，这样就可以制作跟气球几乎完全一样的浮沉子了。用对折的方法更方便，用曲别针把两个管口别在一起即可。调整管中的空气量，就可做成非常灵敏的浮沉子。

揭秘浮沉子

制作了这个玩具，现在大家明白浮沉子为何会下沉或漂浮了吗？正如文章开头所述，这是利用了帕斯卡原理，有些人一听就能明白其中的道理吧。

但是，帕斯卡原理与浮沉子的沉浮有怎样的关系呢？实际上许多人还不是太明白。肯定会有人问，到底“什么是帕斯卡原理？”在这里，我们就一起来揭示这个玩具的秘密吧。

首先，重要的是要理解，浮沉子在水中会受到浮力的影响。浮沉子所受的浮力与其浸入水中的体积成正比。为了让浮沉子的重量和浮力基本平衡（但浮力略大于重力），我们可以调整药水瓶的水量和气球的空气重量，以及配重量，使得浮沉子在普通状态下会处于接近塑料瓶水面的位置。所以在这种状态下，哪怕重量与浮力之间有一点不平衡，浮沉子就会开始沉浮运动。

塑料制的药水瓶和气球会受到周围水压的影响。从外侧挤压大塑料瓶时，塑料瓶体积发生变化，水压上升。随着水压的上升，水压的这种变化会均等地传递到整个塑料瓶。这就是帕斯卡原理。

位于水面附近的药水瓶和气球中的空气也会感受到水压的变化，所以浮沉子中的空气被压缩，体积会略微缩小。浮沉子中空气的体积与水压成反比，所以水压越高，空气体积越小。体积变小的浮沉子的浮力会减少，而浮沉子的重量不变，因此打破了最初浮力和重力的平衡。也就是说，重力略大于浮力，所以浮沉子下沉。

这样，我们就掌握了浮沉子的制作窍门。大前提是浮力和重力接近平衡状态，但关键是水压变化会引起空气体积的较大变化，所以浮沉子中需要有空气等气体存在。气体多一点就会更敏感一些。掌握了这个窍门，就可制作许多形状和材质的浮沉子了。希望读者也能思考制作自己独特的浮沉子。

玻璃瓶浮沉子

以上介绍的都是“软质”的浮沉子，科技馆中演示的浮沉子一般是用玻璃制成的，所以我们也来制作一个玻璃瓶的浮沉子。

首先，找一个尽量小点的长形玻璃瓶。我们买的瓶子高约4厘米，直径约1厘米（小一点好，可放入大玻璃瓶中）。跟刚才制作的浮沉子一样，在瓶内装一点水，在瓶口处挂一个重物，做成浮沉子。先在水盆中试验，调整至瓶底刚刚浮出水面。

找一个能放入该小瓶的大玻璃瓶子，在瓶中装满水，用手指堵住刚才制作的小瓶浮沉子将其放入大瓶中，尽量不要改变瓶中的空气量。

这个瓶是玻璃制作的，无法通过挤压瓶子改变水压，所以我们在瓶口处放上一个气球。如图2所示，按压气球使瓶内的压力增加，瓶中的小瓶就会下沉。即使了解浮沉子的原理，也会感觉这个浮沉子有点不可思议。网上有解释说，加压后水进入瓶中，瓶加水的总重量增加了，因此重力大于浮力，小瓶下沉。这种解释貌似也对。但其实，小瓶中的水与大瓶中的水是联通的，小瓶浮沉子只包括空气和瓶体，水压的变化导致小瓶中空气体积减少，因此浮力减少，小瓶下沉，这个原理与其他浮沉子是完全一致的。

图2. 用玻璃瓶制作浮沉子

不会被挤压变形的玻璃瓶也可以用作浮沉子的容器。将小玻璃瓶浮沉子放入大玻璃瓶之后，把装有部分空气的稍微大点的气球压到玻璃瓶瓶口处。挤压气球，水压上升，浮沉子下沉。

制作各种浮沉子

实验做到这里，我们已经了解到，只要有一定量的空气，又能刚好浮在水面上的东西都可以做成浮沉子，我们就又想到了许多种类的浮沉子。火柴棒、木质牙签、一次性筷子等也可以做出有趣的浮沉子，因为它们内部的孔洞里存有空气，又能浮在水面。在木棒的一端装上重物，就可以变成浮沉子了。

但是，这个木制浮沉子在反复浮沉的过程中，木材的孔洞里会浸满水，就无法再做浮沉子了。此时，将浮沉子从水中取出，充分干燥后即可再次使用。

现在，大家明白用火柴棒或筷子制作浮沉子的原理了吧。请大家思考一下，帕斯卡原理在这些浮沉子上是如何运用的。另外，大家还能想到一些别的浮沉子吗？

（本文发表于《科学世界》2015年第6期）