上下の水圧差から浮力を説明しよう

このレッスンの役割

前の実験で、水中ではばねばかりの値が小さくなり、物体へ浮力が働くことを測りました。ここでは、なぜ浮力が上向きに生まれるのかを、上面と下面の水圧差で説明します。

ゴールは、浮力を「水が何となく持ち上げる力」とせず、水圧の向きと大きさを組み合わせ、重力との比較から浮沈を判断できることです。

知る・理解する

水圧は深いほど大きく、物体の表面へ垂直に働きます。水中の直方体では、下面の方が上面より深いため、下面を上向きに押す力が、上面を下向きに押す力より大きくなります。

側面には左右から水圧が働きます。同じ深さの左右の力はつり合うため、全体として残るのは上向きの力です。これが浮力です。

浮力と重力は別の力です。物体がどちらへ動くかは、この二つの大小で決まります。

力の矢印を描くときは、矢印の長さで大きさを比べます。上向きと下向きの矢印が同じ長さならつり合い、長さが違えば、長い矢印の向きに差し引きの力が残ります。

具体例で使う

物体に浮力8 N、重力6 Nが働けば、上向きが2 N大きいため上昇します。浮力6 N、重力6 Nならつり合います。浮力4 N、重力6 Nなら下向きが2 N大きいため沈みます。

水面に浮いて静止している木片にも、下向きの重力は働いています。同時に上向きの浮力が同じ大きさで働くため、上下に動かないのです。

沈んでいる金属にも水圧差はあるため浮力が働きます。ただし重力の方が大きければ沈み続けます。

誤答を直して次の学びへつなげる

浮力を上面から受ける上向きの力と考えるのは逆です。上面の水圧は下向き、下面の水圧は上向きで、深い下面の力の方が大きいため上向きの差が残ります。

「浮いているから力が働いていない」も誤りです。静止は力がない状態とは限らず、反対向きの力が同じ大きさでつり合っている場合があります。

次は、見かけの重さと浮力を計算し、沈めた体積や深さのデータを読みます。

自分で確かめよう

クイズと理解チェックは、アプリで挑戦できます。