密度与漂浮

木头和钢，哪个更重？答案是：这取决于它们的大小。一块桌子大小的木头显然比一根大头针大小的钢要重，但是一吨木头确实和一吨钢一样重。

一块钢可能比一块木头重，也可能比一块木头轻，这取决于它们的大小，但是，钢材的密度总是比木材大。物体的密度等于其质量除以其体积。钢材的密度大约是7800千克/立方米，而木材的密度只有大约700千克/立方米（具体取决于木材的类型）。平均来看，钢材的密度约为木材的11倍。

水的密度为1000千克/立方米，比木材大，但比钢材小。这就是为什么一块木头会浮在水面上，而一块钢会沉入水底。这种密度上的差异也是氦气（密度为0.18千克/立方米）气球能够飘浮在空气（密度为1.3千克/立方米）中的原因。要让某物浮起来，它的密度必须小于它所在的流体（液体或气体）的密度。冰的密度小于水，因此冰块可以漂浮在水中，冰山可以漂浮在海中。但是，冰的密度只比海水小一点点，这就是为什么冰山的很大一部分会隐藏在海面以下。在海面下的那部分冰山会危及任何靠近冰山的船只。

科学家有时会使用相对密度。相对密度即某物体的密度与水密度的相对比值，这是一个无量纲数。举例来说，黄金的密度为19000千克/立方米，其相对密度便为19（黄金的密度除以水的密度）。

密度和强度

钢是一种非常坚固的金属合金（金属的混合物）。铝没有那么坚固，密度也更小（2700千克/立方米）。因此，铝合金经常被用来制作太空火箭和飞机。一架钢制飞机的重量将是一架铝制飞机重量的3倍，因此钢制飞机的发动机功率必须是铝制飞机发动机功率的3倍才能使其飞离地面。

但是，一些低密度的材料也可以很坚固（强度很高），玻璃纤维和碳纤维等复合材料正是如此。复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的一种新材料，这种新材料比它的原材料性能更好、强度更高。玻璃纤维是将细如发丝的玻璃束固定在塑料树脂中制成的，它的强度比钢略高，但密度只有钢的1/4。玻璃纤维可以用来制造小船的船壳、钓鱼竿和撑竿跳高运动员用的杆子。碳纤维是一种类似的材料，但强度比玻璃纤维更高。

漂浮与置换

物理学中一个最古老、最耳熟能详的故事是关于古希腊哲学家、数学家阿基米德（公元前287年—公元前212年）的。据说，在2200多年前，阿基米德爬进了一个盛满水的浴缸中洗澡，他刚一进浴缸，水就溢出来洒在了地板上。阿基米德看着地上的水反而非常高兴，当即跑到街上大叫“尤里卡”（希腊语“我找到了”的意思）。阿基米德发现的现象是，一个浸入水中的物体排开了与它自身体积相等的水。他还意识到，使物体在水中漂浮的力（所谓的上升力或浮力）等于它排开的水（或物体所漂浮的任何流体）的重量——这就是著名的阿基米德原理。任何自重大于浮力的物体都会下沉，而任何自重小于浮力的物体都会漂浮起来。

关于阿基米德的另一个故事展示了他是如何运用阿基米德原理的。阿基米德住在意大利西西里岛的锡拉库扎。一天，锡拉库扎国王向他求助，因为有人向国王敬献了一顶黄金王冠，他问阿基米德能不能在不熔化或毁坏王冠的前提下判断它是不是由纯金制成的。阿基米德首先给王冠称重，随后将其浸入一盆水中，并测量了王冠排开的水的体积——排开水的体积应当等于王冠的体积，因此阿基米德用王冠的重量除以它的体积就得到了王冠的密度。阿基米德知道纯金的密度，一对比，便知道了这顶王冠是不是由纯金制成的。遗憾的是，史料并没有记录最后的判断结果，因此我们无从得知那顶王冠是否是纯金的。

船舶与潜艇

虽然钢的密度比水大得多，但钢制船仍可以漂浮于水上，现在我们就来揭示缘由。一块实心的钢块一定会沉入水中，但钢制船的船体是中空的，而在水中，中空船体没入水下的部分会排开与自身体积相等的水，而排开的水的重量即为船的重量，因此船就能浮起来。一艘船的重量通常用排水量吨位来表示。一些现代超级油轮的排水量超过50万吨。类似的，飞艇在空中飘浮时，也会排开与自身体积相等的空气。热气球里的空气密度比它飘浮时排开的空气的密度小。

潜艇也有一个中空的船体，但是，潜艇中空船体的周围包围着一层被叫作“压载舱”的水箱。当潜艇在水面上漂浮时，压载舱是空的，当潜艇需要迅速下潜时，压载舱会开始进水，潜艇的重量逐渐变大，潜艇便开始下潜。当潜艇需要再次浮出水面时，压缩空气会被压入压载舱中，使水从压载舱中排出来，因此潜艇又浮了起来。这个上浮下潜的原理对于小型潜水器和大型核潜艇来说都是一样的。