密度と浮力の科学は、物体が水に沈むか浮くかを決定します。 オブジェクトの密度が水よりも大きい場合、オブジェクトは沈みます。 逆に、オブジェクトの密度が水よりも小さい場合、オブジェクトは浮きます。 ゴムの場合、密度が水よりはるかに小さいため、浮きます。
密度
密度は、特定のボリュームに対してオブジェクトが持つ質量の尺度です。 質量は通常グラムで測定され、体積は立方センチメートルで測定されます。 オブジェクトの密度が高いほど、重量は大きくなります。 たとえば、オブジェクトAの密度が10で、オブジェクトBの密度が100の場合。 オブジェクトBの重量はオブジェクトAの10倍になります。
浮力
アルキメデスの原理は、水中の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宣言しています。 別の言い方をすれば、物体の質量が水の質量よりも小さい場合、与えられた体積に対して、物体は浮力によって表面に押し上げられます。 物体の質量が水の質量よりも大きい場合、与えられた体積に対して、浮力が物体を支えるのに十分な強さではないため、物体は沈みます。
密度と浮力の関係
浮力は、質量と体積の2つの要因に依存します。 これらは、オブジェクトの密度を決定する同じ2つの要因です。 物体と水の相対質量を比較するには、体積の問題を方程式から取り除く必要があります。 これは、オブジェクトの密度を水の密度と比較することによって実現されます。 水の密度は、温度によってわずかに異なりますが、1立方センチメートルあたり1グラムと想定されています。 この密度を他の物体の密度と比較することにより、物体の相対密度が水の密度よりも高いか低いかを判断できます。 高い場合は沈み、低い場合は浮きます。
水中のゴム
軟質ゴムの密度は1立方センチメートルあたり0.11グラムです。 辺が10センチメートルのゴム製の立方体がある場合、その体積は1,000立方センチメートルになります。 このゴム製の立方体の質量は、密度に1,000を掛けたもの、つまり110グラムに等しくなります。 このゴム製の立方体を水中に置くと、1,000立方センチメートルの水が移動します。 押しのけられた水の質量は、その密度に1,000を掛けたもの、つまり1,000グラムに等しくなります。 アルキメデスの原理によると、水の浮力は1,000グラムに相当し、ゴムの立方体の重量である110グラムよりも大きいため、ゴムは浮きます。 これはゴムの浮力の背後にある数学を示していますが、実際に必要なのは、ゴムの密度を水の密度と比較することだけです。これにより、体積が方程式から完全に外れます。 ゴムの密度は水の密度よりも低いため、ゴムをいくら沈めても、ゴムが浮くことがわかります。