浮力とは？起源、原理、公式

Orbon Alija /ゲッティイメージズ。

浮力とは、ボートやビーチボールが水に浮く力です。用語 ふりょく 流体 (液体または気体のいずれか) が、部分的または完全に流体に浸された物体に及ぼす上向きの力を指します。浮力は、陸上よりも水中で物体を簡単に持ち上げることができる理由も説明しています。

重要ポイント: 浮力

• 浮力という用語は、流体に部分的または完全に浸っている物体に流体が及ぼす上向きの力を指します。
• の違いから浮力が生まれます。 静水圧 – 静的流体によって加えられる圧力。
• アルキメデスの原理では、部分的または完全に流体に沈められた物体にかかる浮力は、物体によって押しのけられた流体の重量に等しいと述べています。

発見の瞬間: 浮力の最初の観測

ギリシャの数学者で哲学者であるローマの建築家ウィトルウィウスによると、 アルキメデス 3世紀に初めて浮力が発見された 紀元前 シラクサのヒエロ2世王によって彼に提起された問題について困惑している間。ヒエロ王は、花輪の形をした彼の金の王冠が、実際には純金ではなく、金と銀の混合物でできているのではないかと疑っていました。

伝えられるところでは、アルキメデスは入浴中に、浴槽に沈めば沈むほど、浴槽からより多くの水が流れ出ることに気付きました。彼はこれが彼の苦境への答えであることに気づき、エウレカを泣きながら家に急いだ！ （私はそれを見つけました！）それから彼は、王冠と同じ重さの金と銀の2つのオブジェクトを作り、それぞれを縁まで水で満たされた容器に落としました.

アルキメデスは、銀の塊が金の塊よりも多くの水を容器から流出させたことを観察しました。次に、2 つの王冠が同じ重さであったとしても、彼の「金」の王冠は、彼が作成した純金の物体よりも多くの水を容器から流出させることを観察しました。このように、アルキメデスは彼の王冠に実際に銀が含まれていることを証明しました。

この物語は浮力の原理を示していますが、それは伝説かもしれません。アルキメデス自身が物語を書き留めたことはありません。さらに、実際には、少量の銀が実際に金と交換された場合、置換された水の量は小さすぎて確実に測定できません.

浮力が発見される前は、物体の形状によって浮くかどうかが決まると考えられていました。

浮力と静水圧

の違いから浮力が生まれます。 静水圧 – によって加えられる圧力 静的流体 .流体内のより高い位置に置かれたボールは、さらに下に置かれた同じボールよりも圧力が少なくなります。これは、より多くの液体が存在するため、ボールが液体の奥深くにあるほどボールに作用する重量が大きくなるためです。

したがって、物体の上部の圧力は下部の圧力よりも弱いです。圧力は、力 = 圧力 x 面積という式を使用して力に変換できます。ネットがある 力 上向き。物体の形状に関係なく上向きになるこの正味の力が浮力です。

静水圧は、P = rgh で与えられます。ここで、r は 密度 流体の g は 重力による加速度 、h は 深さ 液体の中に。静水圧は流体の形状に依存しません。

アルキメデスの原理

の アルキメデスの原理 部分的または完全に流体に沈められた物体にかかる浮力は、物体によって押しのけられる流体の重量に等しいと述べています。

これは、式 F = rgV で表されます。ここで、r は流体の密度、g は重力による加速度、V は物体によって押しのけられる流体の体積です。 V は、オブジェクトが完全に水没している場合にのみ、オブジェクトの体積に等しくなります。

浮力は、重力の下向きの力に対抗する上向きの力です。浮力の大きさによって、物体が液体に沈んだときに沈むか、浮くか、浮き上がるかが決まります。

• 物体に働く重力が浮力よりも大きい場合、物体は沈みます。
• 物体に働く重力が浮力と等しい場合、物体は浮きます。
• 物体にかかる重力が浮力より小さければ、物体は浮き上がります。

この式から、他にもいくつかの観察結果を導き出すことができます。

• 同じ体積の水中の物体は、物体が異なる材料でできていても、同じ量の流体を押しのけ、同じ大きさの浮力を受けます。ただし、これらのオブジェクトは重量が異なり、浮いたり、浮き上がったり、沈んだりします。
• 密度が水の約 800 分の 1 である空気は、水よりも浮力がはるかに小さくなります。

例 1: 部分的に浸漬された立方体

体積2.0cmの立方体³半分水に浸かっています。立方体が受ける浮力は?

• F = rgV であることがわかっています。
• r = 水の密度 = 1000 kg/m³
• g = 重力加速度 = 9.8 m/s²
• V = 立方体の体積の半分 = 1.0 cm³= 1.0*10^-6メートル³
• したがって、F = 1000 kg/m³* (9.8 メートル/秒²) * 10^-6メートル³= .0098 (kg*m)/秒²= .0098 ニュートン。

例 2: 完全に浸された立方体

体積2.0cmの立方体³完全に水中に沈んでいます。立方体が受ける浮力は?

• F = rgV であることがわかっています。
• r = 水の密度 = 1000 kg/m3
• g = 重力加速度 = 9.8 m/s²
• V = 立方体の体積 = 2.0 cm³= 2.0*10^-6m3
• したがって、F = 1000 kg/m³* (9.8 メートル/秒²) * 2.0*10-6 メートル³= .0196 (kg*m)/秒²= .0196 ニュートン。

ソース

• ビエロ、デビッド。事実かフィクションか?: アルキメデスは風呂で「エウレカ!」という言葉を作り出しました. サイエンティフィック アメリカン 、2006年、https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
• 密度、温度、および塩分。 ハワイ大学 、https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity.
• ローレス、クリス。ゴールデンクラウン：はじめに。 ニューヨーク州立大学 、https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html。