浮力を計算する方法

浮力は重力と逆方向に働く力であり、水中にあるすべての物体は浮力の影響を受けます。 ^{[1] X研究ソース}物体が液体や気体などの流体内に置かれると、その重さによって流体が押し下げられ、上向きの浮力によって物体が上向きに押し上げられ、重力の力が打ち消されます。一般に、浮力は_Fb = _Vs × D × gという式を使用して計算できます。ここで、 _Fbは物体に作用する浮力、 _Vsは物体が浸されている流体の体積、D は物体が浸されている流体の密度、g は重量です。物体の浮力を測定する方法を学ぶには、ステップ 1 から始めてください。

方法1方法1/2:

浮力の公式の使用

{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/e\/e2\/Calculate-Buoyancy-Step-1.jpg\/v4-460px-Calculate-Buoyancy-Step-1.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images\/thumb\/e\/e2\/Calculate-Buoyancy-Step-1.jpg\/v4-728px-Calculate-Buoyancy-Step-1.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 1物体の水没部分の体積を計算します。物体に作用する浮力は、その物体が浸されている体積に比例します。言い換えれば、固体が浸されている液体の体積が大きいほど、浮力は強くなります。つまり、液体に沈む物体であっても、上向きの浮力を受けることになります。 ^{[2] X研究ソース}物体に作用する浮力を計算するには、まず物体が浸されている液体の体積を決定する必要があります。浮力の式では、この値は m ³で表されます。
- 流体に完全に浸された物体の場合、浸漬体積は物体自体の体積に等しくなります。流体の表面に浮かぶ物体の場合、流体の表面下の体積のみが考慮されます。
- たとえば、水に浮かぶゴムボールにかかる浮力を計算するとします。ボールが直径 1 メートルの完全な球体で、ちょうど半分が水に浸かって浮いている場合、最初にボール全体の体積を計算し、それを 2 で割ることで、水に浸かっている部分の体積を計算できます。球の体積は(4/3)π(半径) ³に等しいので、(4/3)π(0.5) ³ = 0.524 m ³と計算できます。浸漬部分の体積は0.524/2 = 0.262 m ³です。
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- この場合、ボールは水の上に浮いています。学習資料を確認すると、水の密度は約1,000 kg/m ³であることがわかります。
- この Web サイトのように、他の多くの一般的な流体の密度をリストした参考資料は多数あります。
重力やその他の下向きの力を計算します。物体が液体に沈むか、表面に浮くかにかかわらず、重力の影響を受けます。現実世界では、この一定の下向きの力はおよそ9.81 N/kgに等しくなります。ただし、遠心力など、流体やその中に浸された物体に作用する他の力がある場合、システム全体にかかる「下向きの」力を決定する際には、これらの他の力も考慮する必要があります。 ^{[3] X研究ソース}
- この場合、通常の静止系を扱っている場合は、流体と物体に作用する唯一の下向きの力は標準重力、つまり9.81 N/kgであると想定できます。
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- 質問の答えを見つけるために、式 F _b = V _s × D × g に値を代入してみましょう。 F _b = 0.262 m ³ × 1,000 kg/m ³ × 9.81 N/kg = 2,570 N .計算プロセス中に、他の単位は互いに打ち消し合い、N だけが残ります。
物体が浮くかどうかを調べるために、物体にかかる浮力と重力を比較します。流体に浸された物体は上向きの推力を受け、流体の表面に浮かぶことができます。この推力の大きさは、浮力の公式を使用して簡単に計算できます。物体が水面に浮かぶか、底に沈むかを判断するには、少し余分な計算を行うだけで済みます。物体全体の浮力、つまり流体に浸したときの全体の体積の浮力 V _sを計算し、式 G = (物体の質量)(9.81 m/s ² ) を使用して重力の下向きの力を計算します。浮力が重力よりも大きい場合、物体は浮きます。逆に、重力が大きい場合、物体は沈みます。両者が等しい場合、物体は「浮力平衡」と呼ばれる状態になります。
- 水中で浮力が釣り合った物体は、水面に浮かぶことも、底に沈むこともありません。液体の上部と下部の間に吊り下げられます。 ^{[4] X研究ソース}
- たとえば、直径 0.75 m、高さ 1.25 m、重さ 20 kg の円筒形の木製の樽が水に浮くかどうかを知りたいとします。計算手順は次のとおりです。
  - 円筒の体積の公式 V = π(半径) ² (高さ) を使用して樽の体積を計算できます。 V = π(.375) ² (1.25) = 0.55 m ³ .
  - 次に、重力と水の密度の標準値を仮定して、樽の浮力を計算できます。 0.55 m ³ × 1000 kg/m ³ × 9.81 N/kg = 5,395.5 N .
  - ここで、樽の重量を計算する必要があります。 G = (20 kg)(9.81 m/s ² ) = 196.2 N .それは浮力よりもはるかに小さいので、樽は浮きます。
6流体が気体の場合も、同じ方法が使用されます。浮力の問題を解決するときは、物体が浸されている流体が必ずしも液体であるとは限らないことに注意することが重要です。気体は流体とみなされ、他の種類の物質に比べて密度が非常に高いにもかかわらず、特定の物体の重量を支えることができるため、物体が浮いているように見えます。 ^{[5] X研究ソース}ヘリウム風船がこの点を証明しています。風船内のガスの密度は、周囲の流体の密度、つまり風船の周りの通常の空気の密度よりも低いため、風船は空中に浮かびます。広告する

方法2方法2/2:

簡単な浮力実験をしてみましょう

1小さいボウルまたはカップを大きいボウルまたはカップの中に入れます。家庭用品をいくつか使うだけで、浮力の仕組みを学ぶことができます。この簡単な実験では、水中に沈んだ物体が、その体積に等しい量の流体を押しのけるため、浮力を受けることを示します。その過程で、この実験を使用して、物体の浮力を計算する方法を実際に実証します。まず、ボウルやカップなどの小さな開いた容器を、ボウルやバケツなどの大きな容器に入れます。
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- この実験の目的上、水の密度は標準密度の 1000 kg/m ³であると仮定しても問題ありません。塩水や全く異なる液体を使用しない限り、ほとんどの水の密度は基準値に近くなり、小さな誤差があっても実験結果に影響はありません。 ^{[6] X研究ソース}
- スポイトを使用すると、容器の正確なレベルを調整できます。
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- この実験では、質量 0.05 kg のおもちゃの車を内側の容器に入れるものとします。次のステップで示すように、車にかかる浮力を計算するには、車の体積を知る必要はありません。
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- つまり、物体が浮いている場合、こぼれた水の体積は水面下に沈んでいる物体の体積に等しくなります。物体が沈む場合、こぼれた水の体積は物体全体の体積に等しくなります。
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- この例では、おもちゃの車が内側の容器に沈み、大さじ約 2 杯分の水、つまり 0.00003 m ³の水を押しのけたと仮定します。水の質量を計算するには、水の密度を掛けます：1,000 kg/m ³ × .00003 m ³ = 0.03 kg 。
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- したがって、あらゆる物体の中で、質量は小さくても体積が大きいものが最も浮きやすいのです。この特性により、中空の物体は特に浮きやすくなります。たとえば、カヌーは内部が空洞になっているため浮力が大きく、大きな質量がなくても大量の水を押しのけることができます。もしカヌーが固体だったら、それほど浮力はなかったでしょう。
- この例では、車の質量は 0.05 kg で、車が押しのける水の質量 0.03 kg よりも大きくなります。これは私たちが観察したものと一致しています。車は沈んだのです。
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