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- 流体力学
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- 止まっている流体
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- 03 / 12
- 内容
- シミュレータ・例題3問
同じ 233 kg の鉄でも、箱なら浮く浮力(鉄の船が浮く理由)
水の中の物を押し上げる浮力は、押しのけた水の重さと同じ(アルキメデスの原理)。同じ 233 kg の鉄でも、塊にすると沈み、1 m 角・板厚 5 mm の箱にすると 23.4 cm 沈んだ所で浮く。鉄の密度は水の 7.86 倍でも、中の空気まで含めた平均の密度が水より小さければ浮く。

このページの内容
この単元のポイント
- 水の中の物を押し上げる力(浮力)は、その物が押しのけた水の重さと同じ。浮いている物は、自分と同じ重さの水を押しのけた所で止まる。
- 同じ 233 kg の鉄でも、塊(0.0297 m³)にすると沈み、1 m 角の箱にすると 23.4 cm 沈んだ所で浮く。
- 鉄の密度は水の 7.86 倍。それでも、中の空気まで含めた平均の密度が水より小さければ浮く。板厚 5 mm の 1 m 角の箱は 233 kg/m³ で浮き、板厚を 23 mm にすると水を超えて沈む。
鉄の船は、なぜ浮く?
鉄のくぎを水に落とすと、すぐに沈みます。ところが、港に浮かぶ大きな船も、同じ鉄(鋼)でできています。何万トンもある船が、どうして沈まないのでしょうか。
ここでは、鉄の量をそろえて比べます。1 m 角で、6面とも厚さ 5 mm の鉄板でできた、閉じた箱を考えます。鉄の量は 0.0297 m³、質量は 233 kg です。同じ 233 kg の鉄を、すき間なく固めた塊(一辺 31 cm の立方体)も用意します。
予想してから読む233 kg の鉄を、1 m 角の閉じた箱(板厚 5 mm)にして、真水に入れると、どうなる?
公式はこれ
| 記号 | 意味 | 1 m 角の箱が浮いているとき |
|---|---|---|
| 浮力 [N] | 2286 N | |
| 水の密度 [kg/m³] | 998.2 kg/m³(真水) | |
| 重力加速度 [m/s²] | 9.807 m/s² | |
| 押しのけた水の体積(水の中にある部分の体積) [m³] | 0.234 m³ |
右辺の は、押しのけた水の質量です。それに をかけると、押しのけた水の重さになります。だから、浮力 = 押しのけた水の重さ。これをアルキメデスの原理といいます。
浮いている箱では、浮力 2286 N と、箱の重さ 2286 N が釣り合っています。
身代わりの水
なぜ、浮力は押しのけた水の重さと同じになるのでしょうか。
静かな水の中に、箱と同じ形の「水のかたまり」があると思い浮かべてください。まわりと同じ水なので、このかたまりは浮きも沈みもせず、じっとしています。まわりの水が、かたまりの重さをちょうど支えているからです。
次に、かたまりを抜き取って、同じ形の箱を入れます。まわりの水の様子は変わらないので、まわりの水が箱を押す力も、さっきと同じです。つまり、箱が受ける力は「身代わりの水のかたまりの重さ」と同じになります。
まわりの水が押す力の正体は、水の圧力です。静水圧(深さと圧力) で見たとおり、水の圧力は深いほど大きくなります。箱の側面を押す力は、左右で同じ大きさなので打ち消し合います。残るのは、底を下から押し上げる力です。
箱が 23.4 cm 沈んでいるとき、底の圧力(ゲージ圧)は次のとおりです。
これが 1 m² の底を押すので、押し上げる力は 2.29 kPa × 1 m² = 2286 N。押しのけた水 0.234 m³ の重さと、ぴったり同じです。
同じ鉄で、箱と塊を比べる
同じ 233 kg の鉄を、箱と塊にして、真水に入れたときを比べます。
| 塊(一辺 31 cm) | 箱(一辺 1 m、板厚 5 mm) | |
|---|---|---|
| 鉄の体積 | 0.0297 m³ | 0.0297 m³ |
| 重さ | 2286 N | 2286 N |
| 押しのけられる水の体積(全部沈めたとき) | 0.0297 m³ | 1 m³ |
| 全部沈めたときの浮力 | 291 N | 9789 N |
| どうなるか | 沈む | 23.4 cm 沈んで浮く |
塊が押しのけられるのは、鉄そのものの体積の水だけです。全部沈めても、浮力は 291 N で、重さ 2286 N に届きません。
箱は、中の空気の分まで水を押しのけられます。全部沈めれば 9789 N の浮力が出るので、そこまで沈む必要はありません。重さと同じ 2286 N の浮力が出る所、つまり 0.234 m³ の水を押しのけた所で止まります。底の面積が 1 m² なので、その深さは 23.4 cm です。
浮くか沈むかは、平均の密度で決まる
鉄の密度は 7850 kg/m³ で、真水(998.2 kg/m³)の 7.86 倍です。鉄だけで比べれば、鉄はいつも沈みます。
箱では、中の空気も一緒に水を押しのけます。そこで、箱の質量を、空気まで含めた外の体積で割った平均の密度で考えます。
平均の密度が水より小さければ浮き、大きければ沈みます。1 m 角の箱の板を厚くしていくと、平均の密度は次のように増えます。
| 板厚 | 箱の質量 | 平均の密度 | どうなるか |
|---|---|---|---|
| 5 mm | 233 kg | 233 kg/m³ | 23.4 cm 沈んで浮く |
| 22 mm | 991 kg | 991 kg/m³ | 99.3 cm 沈んで、ぎりぎり浮く |
| 23 mm | 1034 kg | 1034 kg/m³ | 沈む |
22 mm の箱は、水面の上に 7 mm しか出ていません。23 mm にすると、平均の密度が水を超えて、沈みます。
公式を、3つのかたまりに分けて読む
- 水の密度 入れる液体で決まります。海水(1025 kg/m³)は真水より 2.7% 重いので、同じ体積を押しのけても、浮力は 2.7% 大きくなります。
- 重力加速度 押しのけた水の質量を、重さ(力)に直す数です。
- 押しのけた体積 水の中にある部分の体積です。物が何でできているかは入っていません。鉄でも木でも、同じ形で同じだけ沈めば、浮力は同じです。
浮くか沈むかを決めるのは、材料ではなく、形でした。材料が効くのは、重さの側だけです。
どの数字がいちばん効く?
1 m 角・板厚 5 mm の箱が真水に浮いているときから、それぞれの数字を 10% 変えると、沈む深さは次のように変わります。
| 変えるもの | 沈む深さの変化 | 理由 |
|---|---|---|
| 箱の一辺 を10%大きく | +0.1% | 重さも、底の面積も、どちらも一辺の2乗で増える |
| 鉄板の厚さ を10%厚く | +9.9% | 重さが、ほぼ板厚に比例する |
| 水の密度 を10%大きく | −9.1% | 同じ重さの水が、少ない体積ですむ |
| 板の材料の密度を10%大きく | +10% | 重さに比例する |
意外なのは、箱の大きさがほとんど効かないことです。2 m 角にしても、0.5 m 角にしても、板厚 5 mm なら、沈む深さは約 23 cm のままです。
鉄の船に戻る
大きな鉄の船が浮くのは、船体が、中に広い空間をかかえた箱の形をしているからです。鉄の量に比べて、ずっと大きな体積の水を押しのけられます。船の平均の密度は、水よりずっと小さくなっています。
荷物を積むと、船は重くなります。重くなった分だけ多くの水を押しのけるまで、深く沈みます。
川から海へ出ると、船は少し浮き上がります。1 m 角の箱なら、真水で 23.4 cm 沈んでいたのが、海水では 22.7 cm になります。海水は重いので、同じ重さの水を、少ない体積で押しのけられるからです。
つまり、ものを作るときは
水に浮かべる物は、材料を軽くするより、中に空気をかかえる形にすると浮きます。鉄の箱でも、平均の密度が水より小さければ浮きます。
どれだけ積めるかは、ふちまで沈めたときに押しのける水の重さから、自分の重さを引いた分です。波や、水の重さの違い(真水と海水)を考えて、ふちまでに余裕を残します。
動かしてみよう
はじめは、1 m 角・板厚 5 mm の箱が、真水に浮いています。青の破線で囲んだ所が、押しのけた水です。右の2本の矢印(重さと浮力)は、同じ長さになっています。
鉄の形を「塊」に替えると、塊は底へ沈み、浮力の矢印が短くなります。鉄板の厚さ を厚くしていくと、箱は深く沈み、下の平均の密度の目盛りが、水の印に近づきます。
水の種類を「海水」に替えると、沈む深さが少しだけ浅くなります。
試してみよう0 / 3
- 水の種類を「海水」に替えて、沈む深さ d が真水のときの 23.4 cm からどう変わるか見る(箱・1 m・5 mm のまま)(まだ)
- 鉄の形を「塊」にして、重さの矢印と浮力の矢印を比べる(真水・1 m・5 mm のまま)(まだ)
- 箱のまま、鉄板の厚さ t を 23 mm まで厚くして、平均の密度の目盛りを見る(真水・1 m)(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 沈む深さ
- 鉄の体積
- 鉄の質量
- 重さ
- 全部沈めたときの浮力
- 浮力
- 押しのけた水の体積
- 平均の密度(中の空気を含む)
途中の計算(導出)を見る
鉄板の体積(外の立方体から、中の空気の立方体を引く)
鉄の質量と重さ
箱を全部沈めたときの浮力(中の空気の分まで、水を押しのける)
浮く。重さと同じ重さの水を押しのけた所で止まる。沈む深さ
平均の密度(中の空気まで含めた重さ ÷ 外の体積)。水より小さければ浮く
よくある勘違い
「重い物は沈み、軽い物は浮く」
浮くか沈むかを決めるのは、重さではなく、平均の密度です。
| 質量 | 平均の密度 | どうなるか | |
|---|---|---|---|
| 1 m 角の鉄の箱 | 233 kg | 233 kg/m³ | 浮く |
| 鉄のくぎ | 数 g | 7850 kg/m³ | 沈む |
233 kg の箱は浮き、数 g のくぎは沈みます。
「深く沈めるほど、浮力は大きくなる」
水面から下に沈んでいく間は、押しのける水が増えるので、浮力も増えます。でも、全部沈んだあとは、どれだけ深く沈めても、押しのける水の体積は同じです。浮力も変わりません。深い所では、上の面を押す圧力も、下の面を押す圧力も、同じだけ増えるからです。
「浮力は、物の重さで決まる」
浮力を決めるのは、物の重さではなく、押しのけた水です。浮いている物では、たまたま浮力と重さが同じになっていますが、それは押しのける水の量が、重さに合わせて決まった結果です。沈んだ塊では、浮力(291 N)は重さ(2286 N)よりずっと小さくなります。
この公式が使える条件
- 水(液体)が止まっている(流れや波がない)
- 水は押し縮められない(深くなっても、密度が同じ)
- 物が水の中で動いていない(動いていると、水の抵抗が加わる)
- 箱の中の空気の重さは考えない(1 m³ の空気は約 1.2 kg で、箱の 233 kg に比べて小さい)
- 箱は傾かずに、まっすぐ浮いているとする(傾いて倒れるかどうかは、別に考える)
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
水の圧力で導く:底の面積 、高さ の柱が、水の中に縦に沈んでいるとします。上の面は深さ 、下の面は深さ にあります。
静水圧(深さと圧力) の から、上の面は下向きに 、下の面は上向きに の力で押されます。側面を押す力は、向かい合う面どうしで打ち消し合います。
上向きの力から下向きの力を引くと、
は柱の体積、つまり押しのけた水の体積 です。 が消えたので、全部沈んだあとは、深さによらないことも分かります。
柱が水面から一部だけ出ているときは、上の面は空気の中で、ゲージ圧は 0 です。水の中にある深さを とすると、。水の中の部分の体積が なので、やはり押しのけた水の重さです。
どんな形の物も、細い縦の柱の集まりと考えれば、柱ごとに同じことが言えます。足し合わせると、物全体で になります。
沈む深さ:浮いている箱では、浮力 = 重さです。
両辺の は消えます。
浮くか沈むかの境目:全部沈めたときの浮力 が、重さ と同じになる所です。、つまり平均の密度が水と同じになる所です。1 m 角の閉じた箱では、
例題
例題1 水の中のおもり
質量 10 kg の鉄のおもりを糸でつるし、全部が水(真水)の中に入るまで沈めます。おもりは容器の底に着いていません。鉄の密度は 7850 kg/m³ とします。
(1) おもりの体積はいくらですか。(2) おもりにはたらく浮力はいくらですか。(3) 糸がおもりを引く力はいくらですか。
ヒント 1 / 2
体積は「質量 ÷ 密度」です。
ヒント 2 / 2
糸の力と浮力の2つで、重さを支えています。
答えと解き方を見る
空気の中では 98.07 N(10 kg の重さ)だった糸の力が、水の中では 85.6 N に減ります。8.73 kg の物をつるしているのと同じです。
浮力は、おもりと同じ体積の水の重さです。鉄は水の約 7.9 倍重いので、軽くなるのは重さの 8 分の1ほどです。
例題2 鉄の箱舟に積める重さ
上の開いた鉄の箱舟があります。外のりは長さ 2 m・幅 1 m・高さ 0.5 m、底と4枚の側面は、どれも厚さ 4 mm の鉄板です。真水に浮かべます。
(1) 箱舟の質量はいくらですか。(2) 何も積まないとき、何 cm 沈みますか。(3) 水がふちを越えずに積めるのは、何 kg までですか。
ヒント 1 / 2
鉄板の体積は「外のりの箱の体積 − 中の空間の体積」です。中の空間は、長さと幅が 8 mm、高さが 4 mm だけ小さくなります。
ヒント 2 / 2
ふちまで沈めたとき、押しのける水は 1 m³ です。
答えと解き方を見る
ふちまで沈めると、箱舟は 998 kg の水を押しのけます。そこから箱舟の質量を引いた残りが、積める重さです。
実際の船は、波で水が入らないよう、ふちまでに余裕を残して積みます。
例題3 大きな箱なら、厚い板でも浮く
外の一辺が 2 m の、閉じた立方体の鉄の箱を、真水に入れます。6面とも同じ厚さの鉄板です。
(1) 板厚が 44 mm のとき、箱は浮きますか。浮くなら何 cm 沈みますか。(2) 板厚が 45 mm なら、どうなりますか。
ヒント 1
全部沈めたときに押しのける水の質量(998.2 × 2³ kg)と、箱の質量を比べます。
答えと解き方を見る
44 mm の箱は、199 cm 沈み、水面の上に出ているのは 1.4 cm だけです。
浮いていられる板厚の上限は 44.3 mm で、1 m の箱(22.2 mm)のちょうど2倍です。板厚も2倍にすると、箱は同じ形のまま2倍になり、外の体積も鉄の体積も8倍になるので、平均の密度は変わりません。