[工程技术] 为什么题目中桥墩不会受到浮力?

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[工程技术]为什么题目中桥墩不会受到浮力?

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这个问题就像一面照妖镜，把那些只会无脑ρgV却不思考下这个公式怎么来的的人给照了出来。让我吃惊的是这里面不乏一些工程师、教师，写的回答还都有模有样理直气壮……
水在重力的作用下想尽量往低处走，尽可能占据容器的底部，把那些阻碍它这么做的物体往上“推”。如果真能推，那这个推力就是浮力。
问题在于，并非泡在水里的任何物体都推得起来——水对物体的压力必须有向上的分量才有这样的机会。静止的水对物体产生的压力总是垂直于物体与水接触的表面，指向物体内部。如果像提问中那样的圆柱体竖直插在水中，底面之下没有水的话，所有的压力方向都是水平的，自然产生不了浮力。

圆柱下方的水把它向上推，这才有浮力

下方没有水，所有力都在水平方向上，无法产生浮力
那些坚信只要排开水就一定有浮力的，我建议你做个这样的“浮力永动机”，把物理大厦轰得渣都不剩：

以上写于 2023 - 5 - 27
感谢几天以来大家的点赞喜欢。从评论来看，对这个问题的看法可以大致分成「理性派」「工程派」「直觉派」
「理性派」和「工程派」的共识是“桥墩下方没有水时不存在浮力”，争论的焦点集中于“桥墩下方是否可能完全没有水”
这是理想模型和工程实际之间的差异。两种看法是可以共存的，并非“一种观点正确，另一种观点就必然错误”的对立关系。把桥墩视为与岩石乃至整个大地相连，它就不会受到浮力；如果桥墩之下是含水的砂石，或者可视作流体的淤泥等，那它也有可能受到浮力作用。
本提问作为一道中学物理题，分析的对象总是偏“理想”的，不能要求学生和出题者都从工程实际去考虑。因此对这道题回答“没有浮力”是更好的选择。对于工程实际中的情况，我会在后面尝试描述一下。
「直觉派」质疑的是“桥墩下方没有水时到底有没有浮力”
这几天我也一直在想，“圆柱体的底面和水底紧密接触，不留缝隙，就不再有浮力了”确实是一个比较反直觉的事实。当你把一个圆柱体不断往水下按，会感受到越来越明显的浮力，似乎没有什么理由当它按到最底下时浮力突然就消失了。后面我也试着建立一些模型，看能不能让它变得直观一些。
当然，本回答的评论，以及原问题下的其他回答也不乏「神秘派」的身影：

打不过就加入还不行吗~
“流体中的物体会怎样运动”是个挺复杂的事情。一个不严谨但比较直白的说法是：系统会向着降低总势能的方向改变。
但是“会不会动”并不能与“是否受到浮力”等同。物体是否动起来/转起来，由它受到的合力/合力矩决定，浮力只是有可能成为合力的组成之一而已。
另外还要时刻牢记，静止液体对物体的压强总是垂直于接触面，指向物体内。
通常所说的“是否受到浮力”是指水对物体的总作用力是否有竖直向上的分量。考虑一块厚度为0的理想薄片水平放置于水中：

它的上表面受到向下的水压 ρgh1" role="presentation">ρgh1\rho gh_1 ，下表面受到向上的水压 ρgh2" role="presentation">ρgh2\rho gh_2 。由于薄片厚度为0，这两个深度h是相等的，因此两个压强也相等，故而水对薄片的合力为0，不存在浮力。

接下来，考虑薄片某处出现了一个微小的体积。在此体积处两个深度h不再相等了，下表面的水压大于上表面。两者的总效果就是此体积处受到了向上的“浮力”：

将这个微小体积不断扩大，直到形成一个完整的物体，它的各个地方存在如上所示的深度差，综合起来就是物体受到的总的浮力。
如果这个体积向下延伸，接触容器的底部并完全排开水，尽管 h2" role="presentation">h2h_2 变得更大了，但底部不再有水的压力，因此这一部分体积就只受向下的 ρgh1" role="presentation">ρgh1\rho gh_1 ，不再有向上的 ρgh2" role="presentation">ρgh2\rho gh_2 作用了，也就没有了浮力：

在实际工程中，桥墩之下可能是凹凸不平的砂石，缝隙处由水填充。这些水与外界相通：

这时候，零碎的一些面积之下是没有水的，其余的部分则有水产生浮力。用红色标记出“没有压着水，而是直接垛在岩石上”的部分，可能是这样：

统计上来说，这些不提供浮力的红色部分的面积占总面积的比例应该是一个定值，与砂石的细碎程度、硬度等有关。可以把这些面积拼到一起，作为“无浮力面积”，然后单独计算下图左侧“悬空”部分所受的浮力：

（我对工程一窍不通，以上只是推测，未必是工程中真正的做法。恳请工程大佬指正~）
这也在某种程度上解释了「直觉派」的疑惑。在实验中不管你把什么样的物体按进水槽底部，它的下方是很难做到“完全挤出水，不留一点空隙”的，对于比较软的材料如泡沫塑料之类更是如此。只要残留着与外部相通的水，就会有浮力阻止物体继续呆在水底。
另外，既然大家都挺喜欢那个永动机的，我们可以在它的基础上延伸出一些有意思的模型，也算是回答一部分评论区提出的问题。同时，这些模型也有助于培养我们的物理直觉，一定程度上加深对浮力的理解。
模型1
一根圆柱形铁棍竖直插进水槽，捅穿底面，不计摩擦（下同，并且——如果你想到了的话——也不计水的粘滞阻力）：

棍子可以自由地上下移动。显然，棍子向下坠落会降低势能，也没有什么作用力阻止它这么做。

而且，上图第二和第三个状态之间，水会对棍子顶部产生向下的压力。相比没有水槽时棍子的自由落体，此处的棍子更像是被水“挤”出了水槽。
棍子脱离水槽后，水便会从窟窿里喷洒而出。喂，快拿拖把来！
模型2
将模型1中的铁棍换成密度比水更小的木棍：

对比一下会发现这与上一个模型是类似的。尽管木棍密度小于水，但过程中水无法对它施加向上的浮力把它托住，木棍同样会不受阻碍（甚至在某个阶段加速）地滑出水槽。这个过程中水的形态变化与之前完全一致。
模型3
木棍横向捅破水槽：

此处木棍会受浮力作用了，但受到窟窿眼儿的限制，它无法向上运动。那么木棍能不能一直静止不动呢？
不能，事实上，水会把木棍向左边推出去：

这个过程的动力来自水的势能，将木棍向左边挤才能让水占据更低的空间。从受力角度来说，木棍的右底面受到水压作用，但左底面没有同样的压力将其抵消。
模型4
「直觉派」最纠结的问题，一个木块压在水槽底部，为什么浮力就不存在了呢？

如前所说，由于底面、水槽底部的不平整等等原因，实际操作中很难将压着的水完全排干。只要还有水残留，它就不可避免地会重新上浮。
为了解决这个问题，我们可以在水槽底部挖个洞，让可能残留的水全部排掉。只要确保洞口不要太大让木块掉出去就行：

有没有发现这个东西似曾相识？
哈，没错！它就是你在浴缸里泡澡的时候，堵住漏水口的那个塞子……
浴缸装满水的时候，别说有啥浮力了，想要把塞子提起来都要费老大的劲儿，因为你要对抗的是竖直压在塞子上方所有水的压力。
水槽底部开洞并不影响水对木块的作用力，你大可以在水排干以后把洞口封上。开洞或者不开洞，木块周围的水体形态没有改变，因此它对木块的作用力也是不变的。
这样是不是就很显然啦。把比较轻的物体压在水底，松手以后总是会浮回水面，其实都是底部没有排干净的水导致的。只要能把底部的水排空，物体就会被上方的水牢牢地压在底部。
把水换成空气，吸盘的原理也是一样的。
以上添加于 2023 - 5 - 31
受
@罗其杰
@smilence lk
的评论启发，再添加几个模型。虽然和浮力的关系不大了，但都很有意思~
模型5
假设“永动机”的圆环密度小于水（比如说是木头吧），泡在水中的部分开一个口：

原始永动机的一些假设也一并继承到这个模型里：
圆环受转轴限制，只能绕转轴旋转，不会发生平动转轴无摩擦，也不计圆环与容器、水体的摩擦圆环与容器的接合处不漏水
一开始圆环是静止的，那它会不会自己动起来呢？
结果也许出乎意料——圆环会自发地逆时针旋转。只是开了个小口，这个“永动机”就真的会自己动了！

一个密度比水低的结构竟然被水拖着往下拽，似乎有点不可思议。
你可能会想到：缺口的下沿深度更大，受向下的压力会比缺口上沿的更大，得出水对圆环缺口的总体作用是向下的：

局部的受力确实是这样没错。但是要注意，这并不是此模型中让圆环转起来的完整因素。如一些评论所说的，水对物体的作用力不能百分百地决定物体是否会运动。对于此模型来说，还有另一个重要的因素在施加影响：缺了口的圆环，重心与转轴不再重叠——它本身的重力会在转轴上产生力矩。
把活动的部分「圆环+缺口处的水」单独拿出来看，由于水的密度高于圆环，这个部分的整体重心是偏离转轴、靠近缺口的：

所以圆环会被缺口处比它更重的水“压”着，逆时针旋转，直到缺口脱离水槽，水洒出来：

缺口处的水漏掉以后，圆环的重心转移到了远离缺口的一侧，促使它顺时针再转回去：

可见，圆环会在两个旋转方向上震荡，有那么一点“永动”的感觉了。
当然实际上是不可能永动的，驱动圆环运动的是缺口处夹着水的势能。圆环每转一个来回，都会从水槽里“偷”一点水放出来。当水全部放完，圆环也会停止转动（像单摆那样一直绕轴摆动，如果完全忽略转轴摩擦的话）。
或者，如果这个圆环足够轻，它逆时针旋转的动能也许能让缺口翻过一圈，那就不会震荡而是持续旋转了。
模型6
在模型5的基础上再开一个同样的缺口在已有缺口的对面，假设它们仍然用某种方式刚性连接并绕轴旋转：

这么做可以让圆环本身力矩平衡，因此驱动它旋转的只有缺口处的水。
当它如同模型5一样夹带一些水从水槽底部放出后，不再会由于自身的重心偏离转轴，而逐渐变为顺时针旋转了。或者说，它会持续地逆时针旋转，两个缺口轮流从水槽中取水放出：

这个模型应该不用多解释了吧，因为它就是——
水力发电机的转子
以上添加于 2023 - 6 - 2

浮力，简单说是排开水的重量。——初中物理，或者读过科普读物，讲阿基米德称皇冠的那篇故事。
高中，浮力表现为物体表面受到水压的总和。规则物体，如立方体，圆柱棱柱，球体，利用对称性，抵消横向压力，只剩上下表面(平面)压力差。发现浮力仍然等于排开水的重量(体积密度重力加速度乘积)。
学过微积分以后，对每一个微小面积的法向压力进行积分，结果只剩垂向的力，仍然等于排开水的重量。
在高中阶段，理解浮力原理以后，应该能够理解物体下表面受到的压力应该有向上的垂向分量。如果忽略这个环节，机械地理解浮力就是排开水的重量，那就如题主一样理解不了。重量是向下的，浮力是向上的，只是数值上可以抵消，水的重量并不是浮力的原因。
如果草图中桥墩下面是阴影线，就代表桥墩和地基密不可分。下表面没有受到水分子撞击没有压力，也就没有浮力。
桥墩建造的工程项目，要打桩，然后套管，套管里灌水泥。可以认为一大截桥墩深埋河底泥土岩石里，和地基浇筑成一体，物理模型抽象为草图那样，认为没有水分子在下表面运动是合理的。
至于什么地下水作用，首先地下水不能当做静水考虑，所以不是浮力，其次不是对桥墩，而是对整个地基作用。不在这个题目考查范畴。中学物理题，地基肯定当做刚体处理。难不成还要考虑地震版块运动不成，想多了。

这个题目非常无情，因为它狠狠的揭露了一个残酷的事实:九年义务教育虽然基础，却已经是是许多人认知层面里不可逾越的高峰
初中物理，浮力的来源:“物体上下表面压力差”。如果我没记错，下一章是影响浮力大小的因素，然后就是推导公式巴拉巴拉
对的你没看错，这不需要大学知识甚至高中知识，这是义务教育阶段，每个学生都会学习的内容。
回到题目中，桥墩圆柱体，与地面相连，我们认为没有下表面，上下表面没有压力差。这时候只有侧面的水的压力，各个方向互相抵消，所以不受浮力。

题主你换一个角度想
当桥墩子和河底紧密贴合的时候，你完全可以把桥墩子与大地看成一个整体
装水的杯子会受到水的浮力吗？
如下图

因此只要桥墩子和河底之间还有缝，就不能把他俩看成一个整体
桥墩子就是“装水的杯子里的一个杂质”就会受到浮力

一个橡胶皮碗，贴合在一块平整的玻璃上，你知道他受到大气压力的影响。
怎么放在水里就不明白了呢？如果皮碗紧紧贴合在玻璃杯底部，底部没有水，不存在压力差，哪里来的浮力？只会产生水向下的压力。

高中题，就是桥墩不受浮力，桥墩底部完美结合，无压力差，题考察就是浮力产生的原因，上下压力差。
扯什么水必然渗入的，简直扯犊子，高中这么考，没有人能正常高中毕业，最常考的光滑的小球，世界上存在光滑的小球吗？被撞击的固体块能滑行多远，能量能完美转化吗？被撞击产生细微形变损失多少能量，滑行速度变化风阻变吗？滑行过程中摩擦力是恒定的吗，产生温度影响摩擦力吗？这个方块上下是完美平面吗？产生的空气流动会增加或减小压力吗？要不要考虑温度湿度，地球引力变化
高中生这辈子算的明白吗？这还只是物理，还有化学生物，这辈子都别想毕业
学习的目的是抽象，建立有效模型，随着学习的深入增加影响变量，上来就代入复杂的真实环境，谁都学不会

下表面没有水压。
不过在实际工程里，下面肯定不是刚性密闭材料，河底一般是烂泥，一样会产生浮力。盖房子的基础在不良地质条件下被“浮”起来，是一个需要被预防的实际问题。

因为浮力的本质是物体上下表面的压力差。
以一个在水中的理想方形物体为例：

你可以理解成，F1、F2大小相等方向相反，故抵消。
由于F3处比F4处更深，且力F=压强*面积、压强=密度*g*深度，所以F3大于F4。所以浮力的大小就是F3-F4的值，方向竖直向上。
而在这道题中，假设柱子是理想圆柱体：

其F1、F2一样抵消，但柱子上端出水面、下段在地底，上下表面都不接触水，都不受水压的力。没有F3、F4，自然就没有浮力。

有啥不能理解的。很好理解啊。
桥墩和大地是刚性链接，所以桥墩现在就是大地的一部分，为了便于理解，你把桥墩比做两个河岸或者就是一个海埂也行。
很明显，河岸并没有收到浮力的影响，而是侧向水压力。

合格的桥墩不可能受浮力，如果有浮力，只有这种情况

福利本质是压强差
上下表面所受到水压强差
桥墩下表面有个锤子的压强

很多回答也都答到了，结构与实地接触，中间没水，无法产生向上的浮力。这个理论是正确的。但实际还是要考虑的浮力的，因为难免结构下会出现水。
作为建筑相关的，我说一个建筑建设时常见的一个问题吧——地库抗浮。如果没考虑好这个问题，就会产生下边这个情况。先放几张图。

地库受浮力和上部重力的影响下

这种就是地库下的浮力和建筑上部建筑的重力产生了剪切力而导致了结构性破坏。画一个受力分析图就是下边这样的。

浮力尽管有时候被等同于排开水的体积，但是实际上来源为上下两个面的压力差导致的受力，如果下表面不在水里，水的压力差传递不到这里，自然就可以不考虑浮力。这就像装水的杯子本身不受浮力的作用，因为它下面没有水，但是这个杯子会受到空气的浮力，因为杯子上下表面有大气压力差。

中学物理讲求的都是理想模型，这个桥墩一定是一个从河床延伸出来的完美的竖直柱状，表面是如此的对称和完美以至于受到水的静压完美抵消。你就想，有一万个水分子，但它们对这根墩子的作用力，只能垂直于墩子的表面，因为这个表面实在太完美，这一万个水分子的力的方向都是水平的，没有一个是朝上把墩子推走的。
土木工程的话，当然不是。这根墩子是要浮在河床上的，你是要考虑沉降的。水和河床就跟你喝的芋泥奶茶一样。沉降控制需要你根据整个桥梁的指标，设计这根墩子的形状，截面积，深度。甚至对沉降控制特别严格的，可能需要你这根墩子一直打穿河床土质层一直打到基岩。

你别把它当成上面的桥，你把它当成地下长出来的

浮力是压力来的。
上浮的力自然是下表面受到的水压力来的。
下表面就没水，哪来的浮力。
举个例子，一个轻物块，放瓶底，只要合的严严实实，水分子进不去，也就不会浮上来的。虽然排开了水，但就是没有浮力。

一桥墩压在河底，就像有一吸盘压在桌上，拔不起来，需有空气渗入吸盘下方，吸盘才可以轻拔即起。
河水必须进入到桥墩的下方，水分子的乱跑、乱撞、振动，才会把桥墩往上撞，往上顶，才表现出浮力。
以下视频显示乒乓球下方无水，球不浮起。
视频在这里?b23.tv/gaH9V2R

当你把一木块压入水中，水抵抗木块下沉，你要用力往下压，让木块几乎贴合盆底，木块下的水被挤出，木块忽然坐稳盆底，你松手还是坐稳吸住。抗忽然转成吸。
还有一种东西叫浮沉子，平常浮在水面，你出力把它往下压，水在抵抗此物下沉，你再继续往下压，水抵抗渐弱，到某深度后，水不再抵抗，你松手，此物仍下沉。抗缓缓转成吸。
这两现象可用来比喻两粒子互斥，而靠太近之后转为吸。
=== === === ===
这剧情还可以再反转，就是如果木块下方垫一团微湿的棉花，木块仍坐稳盆底，棉花越来越湿，水份越来越多，就把木块往上顶。类似上列视频中最后一秒，乒乓球下方铺满水，就把球往上顶走。
这又比喻到两互斥粒子已转为互吸了，有外物介入，又忽然转为互斥。

你把塑胶吸盘放水盆里，大概率它会漂起来。这就是浮力。
然后你把它吸在盆底，你看它还漂得起来嘛？这就是没有浮力。
那吸盘排开水的体积有多大变化？
所谓浮力等与排开水的总量，是有条件的，不是永远有效。
实际上，浮力等于物体表面各个方向的水压的矢量和，如果物体下部无水，这部分的压力就要除去，而物体下部的水压最大，且方向向上，把这部分除去了，不但没有向上浮力，还有向下的压力。
所以，吸盘就牢牢地贴在盆底了。

这个考点叫做浮力的本质是物体上下表面的压力差。
那么，对于沉底的物体来说，在初中物理的范畴中，认为其下表面并不与与水接触，故不存在向上的静压力差。

我上学那会刚学浮力就明白了，浮力的来源是下面投影面积和上面投影面积的差……
泥这下面投影面积是0，自然不能有浮力……

讨论的时候分开讲。
如果说是理想状态，桥墩底面和大地完全接触，没有任何缝隙。那绝对是没有浮力的。浮力的本质就是接触面液体压力的合力，没有向上的压力哪来的浮力？不信的回初中看看物理书。
如果说桥墩本身跟大地接触不严密，有缝隙，水流进去，确实会产生一定的向上液压。空隙足够大的话，是有浮力的。

去学一下游泳就了解了，年纪大的老师一般都会提醒学生，好玩泳池底部下潜的，千万注意，不要把胸贴到池底，瓷砖与身体之间再怎么也要有点空隙，要不然，万一角度合适，你就直接被摁在那里沙扬啦啦了，人没有桥墩高露出水面的部分，人会被直接压碎（要水足够深才行），但泳池压住你起不来已经足以致命了，因为身体贴泳池底部你就受不到浮力了，背上一米多的水压力会按住你。（不用害怕学游泳，新手你想贴底都贴不上，要运气足够背，通常都是意外贴底才能成功）

桥墩的下表面没有水，那么水就无法对桥墩产生向上的力，那么水对桥墩的合力也就不能向上，自然就不会受到「浮力」了。

问一句题外话，如果水草的叶子是竖直地长在那里，其实是不是也不受到浮力？

主要这个墩子是直上直下的，但凡是有点下窄上宽，也要受浮力
说点有用的。
以前上学的时候学过，说浮力大小取决于排水量。这玩意理论上是不正确的。
因为浮力的本质是是水对物体压力的合力。而压力的方向垂直于接触面，所以可以对水中的任意物体画出每个方向的压力。
水下有一个桥墩，首先桥墩肯定是插在地上的，所以桥墩下方不含任何水，导致桥墩下方没有水压。桥墩侧面的水压垂直于接触面。
如果桥墩在水下的形状是下窄上宽，那么桥墩每处的水压都是指向斜上方的，我们将力进行分解，分解为向上的力，和水平方向的力。同水位的水平方向分力两两相等，方向相反，导致全部都抵消了，但是向上的分力没有办法抵消。所以假如水下的桥墩是下窄上宽，那么桥墩就收浮力。
如果桥墩在水下的部分是等宽的，那么不管桥墩是否垂直于水面，桥墩都不会受浮力。计算方式依然是将压力分解为垂直和水平方向的分力，水平方向分力同深度两两相等方向相反，垂直方向分力，如果桥墩垂直于水面，那么分力为0，如果倾斜，那么相对的方向垂直分力相等，方向相反。所以最后垂直方向的分力是0，水平方向的分力也是0。
懒得画图了，凑合着看看得了

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