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浮力とは?公式の注意点も簡単に解説!【イメージ重視の物理基礎】

  • まずはザックリ理解したい
  • イメージを優先したい
  • 苦手を克服したい

このような方向けに解説をしていきます。

【今回わかること】

  • 浮力の向きと大きさ
  • 浮力の大きさにおける注意点

力についての基本事項をまだ確認してない方は、先に確認しておいてください。

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浮力とは『浮かせる力』

まこと
浮力とは「水や空気などが物体を浮かせる力」のこと!

水の中に物体があるときに、その物体は水に触れているので力を受けます

これを『浮力』と呼びます。

 

浮力の向き

日常生活のなかで浮力を感じる機会が多いのは「お風呂」でしょう。

あなたが湯船に浸かっているところをイメージしてみてください。

お湯に浸かると、少し体が軽くなったように感じます。

あまり意識したことがない方は、今夜お湯に浸かってるときに腕や脚を動かしてみてください。

お湯に浸かってないときと比べると動かしやすく感じます。

 

このように軽く感じるのは、浮力が上向きに働くためです。

イメージとしては、誰かに腕や脚を軽く支えてもらっているのと同じ状況です。

まこと
水や空気に触れている限り力を受ける、その力を「浮力」と呼ぶ!

 

浮力の大きさとアルキメデスの原理

浮力の大きさを決める『アルキメデスの原理というものを紹介しておきます。

液体中にある物体は、その物体が押しのけた液体の重さに等しい浮力を受ける

少しわかりにくいので、ここでも「お風呂」を例にイメージしましょう。

まずは、次の一連の流れを想像してみてください。

  1. 湯船にギリギリまでお湯をはる
  2. 湯船に自分が入る
  3. お湯があふれる

今回は排水口をなにかで塞いで、あふれたお湯はその場にたまっていくとします。

では想像の中で、先ほどあふれたお湯を集めてカタマリのようなものを作ってみてください。

お湯に浸かっている体には、このあふれたお湯のカタマリに働く重力(つまり重さ)と同じ大きさの浮力が働きます。

これが『アルキメデスの原理』というものです。

 

では、問題を解くうえで、どうやって浮力の大きさを決めるのか

それは次の3つのもので決まります。

  1. 水(それ以外の液体や空気)の密度\(ρ\)
  2. 浸かっている部分の体積\(V\)
  3. 重力加速度\(g\)

特に気をつけないとミスをしてしまうのは、次の2つです。

  1. 水(それ以外の液体や空気)の密度\(ρ\)
  2. 浸かっている部分の体積\(V\)
  3. 重力加速度\(g\)

 

密度\(ρ\)についての注意点

浮力の問題では、2種類の密度を与えられることが多いです。

  • 水(それ以外の液体や空気)の密度
  • 浮いている物体の密度

浮力の大きさで必要なのは「水(それ以外の液体や空気)の密度」です。

問題で与えられた密度を選び間違えないように細心の注意をはらってください。

まこと
密度を選ぶときにミスをする人が多いので注意!

 

体積\(V\)についての注意点

体積は「浸かってる部分だけ」ということに気をつけましょう。

ここでよくあるミスが、「物体すべての体積」を使ってしまうというものです。

浮力について考えるときは、浸かってない部分は関係ありません

 

例えば、水に入るところをイメージしてみましょう。

左から順番に、水に浸かっている量がどんどん増えていっています。

先ほどのアルキメデスの原理から、浮力は押しのけた水の量で決まるとやりました。

なので、上の例ではそれぞれの浮力が次のようになります。

  • 脚だけ浸かっているなら、「脚の分だけ」の浮力が働く
  • 胸まで浸かっているなら、「胸までの分だけ」の浮力が働く
  • 全身が浸かっているなら、「全身分」の浮力が働く

つまり、押しのけた水の量がもっとも多い「全身が浸かっているとき」が浮力は最大になるということです。

まこと
浮力を考えるときは、浸かっている部分に注目する!

 

文字を使ったキッチリした説明も気になる方は、こちらの動画をチェックしてみてください。

 

 

浮くときと沈むときの違い

物体を水中に入れたとき、浮力と重力の関係によって物体の動きが分かれます

浮力と重力の関係は、次の3パターンのどれかに分類される。

  1. 浮力>重力
  2. 浮力=重力
  3. 浮力<重力

①浮力>重力

物体を浮かせる上向きの力のほうが大きいので、水中に入れた物体は浮いてきます

②浮力=重力

物体を浮かせる力と、物体を沈めようとする力が同じなので、水中の好きな場所で物体を浮かせることができます

物体を、水中の適当な場所まで手で押しこんで、その後手を離すと、物体はその場でピタッと動かなくなるということです。

③浮力<重力

物体を沈める下向きの力のほうが大きいので、物体はどんどん下に沈んでいきます

 

 

ほかにも覚えておかなければいけない力もあるので、まだ整理できていない方はこちらをチェックしておきましょう!

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