浮力がなければ、魚は泳ぐことができず、ボートは浮くことができず、一握りのヘリウム気球を持って飛び去るというあなたの夢はさらに不可能になるでしょう。 この力を詳細に理解するには、まず、流体を定義するものと、圧力と密度を理解する必要があります。
流体対。 液体
日常会話では、おそらく言葉を使用します体液そして液体交換可能に。 ただし、物理学には違いがあります。 液体は、一定の体積と、容器の底に流れるように、または底に合うように形を変える能力によって定義される特定の物質の状態です。
液体は流体の一種ですが、流体とは、形が固定されておらず、流れることができる物質として広く定義されています。 そのため、液体と気体の両方が含まれます。
流体密度
密度は、単位体積あたりの質量の尺度です。 両側に1メートルの立方体のコンテナがあるとします。 このコンテナの体積は、1m×1m×1m = 1mになります。3. ここで、このコンテナに特定の物質（たとえば、水）を入れて、その重量をキログラムで測定するとします。 （この場合、約1,000 kgになるはずです）。 その場合、水の密度は1000 kg / 1mになります。3 = 1000 kg / m3.
密度は本質的に、物質が物質にどれだけ密集しているかの尺度です。 ガスは圧縮することで密度を上げることができます。 液体はそれほど簡単には圧縮されませんが、同様の方法でわずかな密度差が発生する可能性があります。
さて、密度は浮力と何の関係があるのでしょうか？ 読み進めるにつれて、それはより明らかになるでしょう。 ただし、今のところ、空気の密度と水の密度の違いと、それぞれの中でどれだけ簡単に「浮く」（または浮かない）かを考慮してください。 簡単な思考実験であり、より密度の高い流体がより大きな浮力を発揮することは明らかです。
流体圧力
圧力は、単位面積あたりの力として定義されます。 質量密度が物質の密集度の尺度であるように、圧力は力の集中度の尺度です。 誰かがスニーカーで素足を踏んだ場合と、スタイリッシュなパンプスのかかとで素足を踏んだ場合はどうなるか考えてみてください。 どちらの場合も、同じ力がかかります。 しかし、かかとの高い靴ははるかに多くの痛みを引き起こします。 これは、力がはるかに小さな領域に集中するため、圧力がはるかに大きくなるためです。
これと同じ原理が、鋭いナイフが鈍いナイフよりもよく切れる理由の根底にあります–ナイフが 鋭く、同じ力をはるかに小さな表面積に加えることができ、次の場合にはるかに大きな圧力を引き起こします 中古。
釘のベッドで休んでいる人の画像を見たことがありますか？ 彼らが痛みを伴わずにこれを行うことができる理由は、力が単一の爪ではなくすべての爪に分散されているためです。これにより、爪が皮膚に穴を開けます。
さて、この圧力の考え方は流体と何の関係があるのでしょうか？ あなたが水で満たされたカップを持っているとしましょう。 カップの側面に穴を開けると、水は最初の水平速度で流出し始めます。 水平に発射された発射体のように弧を描いて落下します。 これは、水平方向の力がその液体を横に押し出している場合にのみ発生する可能性があります。 その力は、液体の内圧の結果です。
すべての流体には内圧がありますが、それはどこから来るのでしょうか？ 流体はたくさんの小さな原子や分子で構成されており、それらはすべて動き回り、絶えず互いにぶつかり合っています。 それらが互いにぶつかっている場合、それらは確かにそれらが入っているコンテナの側面にもぶつかっています。したがって、この横方向の力がカップ内の水を穴から押し出します。
流体に沈められた物体は、これらの分子がぶつかる力を感じます。 力の総量は流体と接触している表面積に依存するため、この力について話すことは理にかなっています 代わりに圧力の観点から-単位面積あたりの力として-それが作用している可能性のあるオブジェクトとは無関係にそれについて話すことができるように オン。
流体がコンテナの側面または水中の物体に及ぼす力は、その上にある流体に依存することに注意してください。 穴の上のカップの中の水が重力のためにその下の水を押し下げていることを想像できます。 これは、流体の圧力に寄与します。 この結果、当然のことながら、流体の圧力は深さとともに増加します。 それは、深く行くほど、より多くの水分があなたの上に座って、あなたを圧迫しているからです。
スイミングプールの底に横たわっているところを想像してみてください。 あなたの上の水の重量を考えてみてください。 陸上では、その量の質量で完全に押しつぶされますが、水中ではそうではありません。 どうしてこれなの？
まあ、それも圧力によるものです。 あなたの周りにある水の圧力は、あなたの上の水を「保持」するのに貢献します。 しかしまた、あなたはあなた自身の内圧を持っています。 水があなたに圧力をかけると、あなたの体はあなたが内破するのを防ぐ外向きの圧力をかけます。
浮力とは何ですか？
浮力は、流体の圧力による流体内のオブジェクトに対する正味の上向きの力です。 浮力は、液体に落とすと、一部のオブジェクトが浮き、すべてのオブジェクトがゆっくりと落下する理由です。 ヘリウム気球が空中に浮かぶのもそのためです。
流体の圧力は深さに依存するため、水没した物体の底部の圧力は、水没した物体の上部の圧力よりも常にわずかに高くなります。 この圧力差により、正味の上向きの力が発生します。
しかし、この上向きの力はどのくらいの大きさで、どのように測定できますか？ ここで、アルキメデスの原理が作用します。
アルキメデスの原理
アルキメデスの原理（ギリシャの数学者アルキメデスにちなんで名付けられました）は、流体内の物体の場合、浮力は押しのけられた流体の重量に等しいと述べています。
辺の長さの水中の立方体を想像してみてくださいL. 立方体の側面にかかる圧力は、反対側でキャンセルされます。 流体による正味の力は、上部と下部の圧力差に乗算されたものになります。L2、1つの立方体の面の面積。
深さでの圧力dによって与えられます：
P = \ rho gd
どこρは流体密度であり、g重力による加速度です。 正味の力は
F_ {net} =（\ rho g（d + L）-\ rho gd）L ^ 2 = \ rho gdL ^ 3
上手、L3 オブジェクトのボリュームです。 立方体の体積に流体の密度を掛けたものは、立方体によって押しのけられた流体の質量に相当します。 乗算gそれを重りにします（重力による力）。
液体中の物体にかかる正味の力
水中の岩や浮かぶボートなどの液体中の物体は、上向きの浮力を感じるだけでなく、 下向きの重力、場合によってはコンテナの底による垂直抗力、さらには 上手。
オブジェクトにかかる正味の力は、これらすべての力のベクトル和であり、モーションの結果として生じるオブジェクト（またはその欠如）を決定します。 オブジェクトが浮いている場合、そのオブジェクトの正味の力は0である必要があります。したがって、重力によるオブジェクトへの力は、浮力によって正確にキャンセルされます。
沈んでいる物体は、重力が物体にかかる浮力よりも強いため、正味の下向きの力があります。 また、流体の底にある物体は、浮力と法線力の組み合わせによって重力に対抗します。
フローティングオブジェクト
アルキメデスの原理の結果は、オブジェクトの密度が流体の密度よりも小さい場合、オブジェクトはその流体に浮かぶということです。 これは、完全に水没した場合に移動できる流体の重量が、それ自体の重量よりも大きくなるためです。
実際、完全に浸漬されたオブジェクトの場合、押しのけられた液体の重量が重力よりも大きいと、正味の上向きの力が発生し、オブジェクトが表面に送られます。
表面に静止すると、オブジェクトは、それ自体の質量に相当する量だけ変位するまで、流体の奥深くに沈むだけです。 これが、フローティングオブジェクトが一般的に部分的にしか水没しない理由であり、密度が低いほど、水没する割合が小さくなります。 （発泡スチロールが水に浮くのと木片の高さを考慮してください。）
沈むオブジェクト
オブジェクトの密度が流体の密度よりも大きい場合、オブジェクトはその流体に沈みます。 完全に水没した物体によって押しのけられた水の重量は、物体の重量よりも小さいため、正味の下向きの力が発生します。
ただし、オブジェクトは空中を通過するほど速く落下することはありません。 正味の力が加速度を決定します。
中性浮力
特定の流体と同じ密度の物体は、中性浮力と見なされます。 その物体が完全に水没すると、物体がどの深さで吊り下げられているかに関係なく、浮力と重力は等しくなります。 その結果、中性浮力の物体は、液体内に設定された場所に留まります。
浮力の例
例1：密度3.2g / cmの0.5kgの岩を想定します3 水に沈められています。 それはどのような加速度で水を通り抜けますか？
解決：岩に作用する2つの競合する力があります。 1つ目は、下向きに作用する重力です。
F_g = mg = 0.5×9.8 = 4.9 \ text {N}
2つ目は浮力で、押しのけられた水の重量に等しくなります。
押しのけられた水の重量を決定するには、岩の体積を見つける必要があります（これは押しのけられた水の体積に等しくなります）。 密度=質量/体積であるため、体積=質量/密度= 500 / 3.2 = 156.25 cm3. これに水の密度を掛けると、押しのけられた水の質量が得られます：156.25×1 = 156.25 g、つまり0.15625kg。 したがって、上方向に作用する浮力の大きさはFb= 1.53N。
その場合、正味の力は下方向に4.9 – 1.53 = 3.37Nになります。 ニュートンの第2法則を使用すると、加速度を見つけることができます。
a = \ frac {F_ {net}} {m} = \ frac {3.37} {。5} = 6.74 \ text {m / s} ^ 2。
例2：ヘリウム気球のヘリウムの密度は0.2kg / mです。3. 膨張したヘリウム気球の体積が0.03mの場合3 気球自体のラテックスの重さは3.5gですが、海面から解放されたとき、どのような加速度で上向きに浮きますか？
解決：水中の岩の例と同じように、重力と浮力の2つの競合する力があります。 気球にかかる重力を決定するには、最初に総質量を求めます。 バルーンの質量は、ヘリウムの密度×バルーンの体積+ 0.0035 kg = 0.2×0.03 + 0.0035 = 0.0095kgです。 したがって、重力はFです。g = 0.0095×9.8 = 0.0931N。
浮力は、押しのけられた空気の質量に重力による加速度を掛けたものになります。
F_b = 1.225 \ times 0.03 \ times 9.8 = 0.36 \ text {N}
したがって、気球にかかる正味の力はFです。ネット = 0.36 – 0.0931 = 0.267N。 したがって、気球の上向きの加速度は
a = \ frac {F_ {net}} {m} = \ frac {0.267} {0.0095} = 28.1 \ text {m / s} ^ 2。