この記事では浮力とは何かについて説明します。浮力のさまざまな種類と、浮力と密度の関係がわかります。さらに、この科学的概念の実際の応用例を見ることができます。
浮力とは何ですか?
浮力とは、物体が浮く能力、つまり、流体内で物体が平衡状態を保つ能力です。
物体が流体中に浮くためには、流体によって物体に加えられる圧力から生じる力が、体の重量の力と等しくなければなりません。
場合によっては、物体を水 (またはその他の液体) に浸すと、物体が少しずつ上昇し、最終的に表面に浮かび上がります。これは、体の下部にかかる力が、体重と上部にかかる圧力を加えた力よりも大きいためです。この場合、上の力と下の力が等しくなるまで物体は上昇します。
したがって、物体の浮力の原因は密度ではなく、その底部にかかる上向きの垂直圧力とその重量の力との間の力のバランスである。ただし、物体の密度はその浮遊能力に関係する可能性があり、これについては以下で詳しく説明します。
浮力とアルキメデスの原理
アルキメデスの原理は、流体に全体的または部分的に浸された物体は、その物体が流体中に導入されたときに移動する流体の重量と同等の上向きの垂直力を受けると述べています。
したがって、流体が物体に及ぼす浮力は、導入時に押しのけた流体の重量に等しくなります。
したがって、アルキメデスの原理によれば、物体が浮くためには、物体自体の重量に等しい量の液体を排出する必要があります。
浮力の種類
浮力の概念では、その動きに応じて 3 種類の浮力を区別します。
- 正の浮力: 物体は流体内で上昇する傾向があるため、流体によって加えられる圧力は体の重量の力よりも大きくなります。
- 負の浮力: 体は流体内で下降する傾向にあり、体は沈みます。これは、重力の力が浮力よりも大きいことを意味します。
- 中性浮力:物体は流体内で平衡状態にあります。つまり、物体は流体内で浮遊したままになります。この場合、流体によってボディに加えられる正の垂直方向の力は、その重量に相当します。
浮力と密度の関係
浮力の定義を考慮して、このセクションでは密度と浮力がどのように関係しているかを見ていきます。
流体中の物体の浮力は、物体の密度と流体の密度に関係します。物体の密度が流体の密度より小さい場合、物体は流体に浮きますが、物体の密度が流体の密度より大きい場合、物体は浮かずに沈みます。
たとえば、水の密度は約 1000 kg/ m3なので、物体の密度が 1000 kg/ m3を超えると、水に沈みます。一方、本体の密度が1000kg/ m3未満の場合、本体が浮いてしまいます。
物体の浮力を決定するのは質量ではなく密度であるため、物体の質量と密度の違いを強調する必要があります。物体の重さはあっても体積が非常に大きいため、密度が低くなり浮く可能性があります。
浮力アプリ
最後に、浮力の意味を完全に理解するために、浮力が現実世界でどのように使用されるかを見てみましょう。
論理的には、浮力は工学、特に船舶や潜水艦などの水中構造物や船舶の設計において非常に重要な概念です。
しかし、浮力は液体だけに当てはまるわけではなく、物体は気体中でも浮くことがあります。熱気球や飛行船を設計する際には、浮力についての検討が不可欠です。
同様に、ダイビングを学ぶには、浮力について少なくともある程度の知識を持っていることが不可欠です。