浮力は体積に比例?浮力と重力との関係から物体の浮き沈みを考える

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みみずく先生のプロ家庭教師&ライター奮闘記

中学理科の第1分野で学ぶ「力」の分野では、以前の記事で紹介した水圧の後に浮力を学びます。

浮力とは、水中にある物体にはたらく上向きの力です。物体を水の中に沈めようとしても浮き上がってきますよね?この「浮く」という現象を引き起こすのが浮力なんですね。

多くの中学1年生が浮力を学びます。教科書の範囲内であれば、「物体の水に沈んでいる部分の体積が大きいほど、はたらく浮力は大きい」と教わるだけです。しかし、中学理科の先生たちの中には、浮力の計算問題を出題する先生がいます。そんな先生の作成する定期試験対策として、浮力の計算についてきちんと解説します。

アルキメデスの原理

浮力とセットで登場する考え方に「アルキメデスの原理」があります。これは、その名前の通り、古代ギリシアの数学者・物理学者アルキメデスが発見した原理です。意味は、「流体中で静止している物体は、それが押しのけた流体に働く重力と等しい浮力を受ける」です。

アルキメデスの原理で登場する「流体」とは、水やアルコールなどの液体や空気などの気体です。中学理科で浮力を扱う場合、普通は水を考えます。

「それ(物体)が押しのけた流体に働く重力」は、物体が無ければそこにあるはずの水の重さのことです。

たとえば、1cm3の立方体の木片が水に沈んでいるとき、その木片にはたらく浮力は1g=0.01Nです(水の密度を“1g/cm3”、重力の単位換算を“100g=1N”とします)

この浮力の値は、木片が水深何mの位置にあっても変わりません。浮力は水深の影響を受けず、物体の体積にのみ比例します。

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