結論:雙腳緊貼瓷磚時,浮力會少掉了一部份!如果泳池足夠深,浮力(水對人的作用力)將變為豎直向下。
浮力產生的原理
首先需要了解浮力的產生原理。在有重力的環境下,液體的內部具有壓力
p=\rho gh\\
因此對於浸入液體的物體,液體將對物體施加壓力。在物體的上部,壓力方向向下;在物體的下部,壓力方向向上。而由於壓力與深度成正比,因此下部的壓力大於上部的壓力,也就是向上的壓力大於向下的壓力,因此壓力的合力是向上的,這個合力就是浮力。
如果人沒有雙腳緊貼瓷磚
我們先簡單推導一下一般情況下的浮力公式。將人體表面 ∂Ω 劃分為微元,每個微元的面積為d S ,則微元受到的壓力為
\mathrm{d}\vec{F}=\rho gz~ \mathrm{d}\vec{S}\\
因此浮力可表示為對上式的積分
\vec{F}=-\iint \limits_{\partial\Omega} \rho gz(\cos\alpha\vec{i}+\cos\beta\vec{j}+\cos\gamma\vec{k}) \mathrm{d}S\\
有負號是因為壓力的方向是向裏的,而 d S 的方向是向外的。由於人體四周都有液體,因此這個積分實際上是閉合積分,可由高斯公式化為三重積分
\begin{aligned} \vec{F}&=-\iiint\limits_\Omega \left( \frac{\partial}{\partial x}\vec{i} + \frac{\partial}{\partial y}\vec{j} + \frac{\partial}{\partial z}\vec{k} \right)\rho gz ~\mathrm{d}x\mathrm{d}y\mathrm{d}z \\ &= -\iiint\limits_\Omega \rho g \vec{k}~\mathrm{d}x\mathrm{d}y\mathrm{d}z = -\rho gV\vec{k} \end{aligned}\\
也就是
\vec{F}=-\iint \limits_{\partial\Omega} \rho gz \mathrm{d}\vec{S}= -\rho gV\vec{k} \\ 由於 k 是豎直向下的,因此 F 是豎直向上的,大小為 ρgV 。
如果人雙腳緊貼瓷磚
此時人與液體接觸的面積不再是封閉曲面,如果仍然用上面的公式計算浮力,實際上多算了兩腳面積的積分,假設兩腳面積為 A ,泳池深度為 H ,則有 \vec{F}+\iint_{A} \rho g H d\vec{A}= -\rho gV\vec{k} \\ 因此浮力為
\begin{aligned} \vec{F}&= -\rho gV\vec{k} -\iint_{A} \rho g H d\vec{a}\\ &= -\rho gV\vec{k} + \rho gH A \vec{k} \\ &= -\rho g(V-HA) \vec{k} \end{aligned}\\ 此時你的浮力減小了 ρgHA 。從上式可以看出,如果泳池足夠深,雙腳緊貼瓷磚的情況下,浮力也可能是豎直向下的。