浮力とは：アルキメデスの原理と仕組み・船や気球の応用
浮力とは何か？アルキメデスの原理で仕組みを図解し、船や気球への応用・計算例まで初心者にもわかりやすく解説。
物理学では、浮力は流体（液体や気体）が物体に及ぼす上向きの力です。これは物体周辺の流体中で生じる圧力分布の差により生まれます。具体的には深さに応じて増す圧力のため、物体の下側にかかる圧力が上側にかかる圧力より大きくなり、その差が上向きの力として働きます。
アルキメデスの原理と式
古代ギリシャの数学者アルキメデスが示したように、浮力の大きさは物体が押しのけた流体の重さに等しい、というのがアルキメデスの原理です。式で表すと次のようになります。
F_b = ρ × V_disp × g
- F_b：浮力（ニュートン）
- ρ：流体の密度（kg/m³）
- V_disp：物体が押しのけた流体の体積（m³）
- g：重力加速度（約9.8 m/s²）
この結果は、流体中での圧力が深さとともに増す（p = ρgh）性質から導かれます。したがって、同じ形状・体積でも流体の密度が大きいほど浮力は大きくなります。
浮くか沈むか（平衡の条件）
物体が浮くか沈むかは、物体の重さ（重力）と浮力の大小で決まります。
- 浮く（静止して浮かぶ）：物体の重さ = 浮力（浮力が物体の重さを支える）。
- 沈む：物体の重さ > 浮力。押しのける流体量を増やしても重さに勝てない場合沈みます。
- 浮上する（上昇する）：浮力 > 物体の重さ。
これは密度を用いて説明するとわかりやすく、平均密度（物体全体の質量を体積で割った値）が流体の密度より小さいとき物体は浮きます。逆に平均密度が大きければ沈みます。
見かけの重さ（見かけの質量）と応用例
流体中の物体は実際の重さより軽く感じられます。これは物体の重さから浮力を差し引いた値が秤で示されるためで、式で表すと
見かけの重さ = 実際の重さ − 浮力
この原理は多くの実用に使われています。例えば、ボートや船は全体としての平均密度を水より小さくする（ハルで空気を閉じ込める）ことで浮きます。気球や飛行船などは、その内部の空気やガスの密度を周囲の空気がより小さくして浮力を得ます。これらはいずれも流体の密度差を利用した例です。さらに、潜水艦はバラストタンクに水や空気を出し入れして押しのける体積を変え、浮力を調整して潜航・浮上します。
安定性と中心の概念
物体がただ浮くだけでなく安定して姿勢を保つためには、重心と浮力の働く点（浮心）の位置関係が重要です。浮心は押しのけた体積の重心に相当し、重心と浮心の相対位置が変わると回転モーメントが生じて姿勢が変化します。船舶の安定性評価には「復元力」や「復原モーメント」、複雑には「メタセントリック高（GM）」などが用いられます。
その他の利用例と測定法
- 密度測定：比重計やハイドロメーターは液体や固体の密度を浮力の原理で測定します。
- 建築・工学：浮体式構造（浮き式プラットフォーム、浮体橋など）は浮力を利用して安定させます。
- 生物学：魚や他の水生生物は浮袋（スイムブラダー）などを使って浮力を調節します。
まとめると、浮力は流体内の圧力差から生じる上向きの力であり、アルキメデスの原理によってその大きさが押しのけた流体の重さに等しいと表されます。これにより、様々な乗り物や機器、自然のしくみが成り立っています。なお、浮力の理解は流体の密度、押しのけた体積、重心と浮心の関係を合わせて考えることが重要です。
浮力の仕組みがわかる図。
密度
物体の密度が液体と全く同じであれば、その浮力は重量と同じになります。沈むことも浮くこともない。
物体の平均密度が液体より高ければ、その浮力は重量より小さくなります。沈むことになる。小石が浮かないのはそのためです。
物体の平均密度が液体より低ければ、その浮力は重量より大きくなる。だから、船は水より密度が高い鉄でできていても、空気の体積を囲んでいるので浮くし、その結果、形が水の平均密度より小さくなるのである。
関連ページ
- 潜水艦
- スラスト
質問と回答
Q: 浮力とは何ですか?
A: 浮力とは、物体を上昇させたり、上方に移動させたりする力のことで、物体が入っている流体や空気による圧力の差によって生じます。
Q: 「浮力」という言葉はどこから来たのですか?
A: 「浮力」という言葉は、スペイン語で「浮く」という意味のboyarから来ています。
Q: 正味上向きの浮力とは何ですか?
A: 正味上向きの浮力は、体によって変位する流体の重さの大きさに等しい。
Q: 浮力は物体に何をさせるのか?
A: 浮力は、物体を浮かせたり、少なくとも軽く見せたりすることができます。
Q: 浮力を利用した乗り物は?
A:ボート、船、気球、飛行船など、多くの乗り物が浮力を利用しています。
Q: 浮力はどのようにして作られるのですか?
A: 浮力は、物体の中にある液体や空気が物体に与える圧力の差によって生まれます。
Q: なぜ浮力が重要なのですか?
A: 浮力は多くの乗り物にとって重要です。
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