物理基礎:浮力の大きさ(公式の導出)

<ポイント>
浮力 F = ρVg
・水中にある物体の下面にはたらく水圧は、上面にはたらく水圧よりも大きい
・物体の上下面にはたらく水圧の差=浮力
(1)アルキメデスの原理から見た浮力
浮力の大きさは、物体の水中に沈んでいる部分の体積で決まります。

「物体がおしのけた水の体積分の重さだけ、浮力がはたらく」(アルキメデスの原理)ので、

水の密度を ρ [ kg/m3] 、物体の体積を V [m3] とすると、
〔浮力の大きさ F 〕=〔物体がおしのけた水の体積分の重さ〕より、

F = 〔水の質量〕・g=ρV・g

よって、F = ρVg …①

(2)水圧の差から見た浮力

水中に物体があるとします。
水中にある物体の下面にはたらく水圧は、上面にはたらく水圧よりも大きくなります。
(水圧の大きさは、水面からの深さによって決まるため、下面にかかる水圧の方が大きい)

浮力公式

物体の上面と下面の水深を h1[m], h2[m] とし、
上面にかかる力を F1、上面にかかる圧力を P1、下面にかかる力を F2、下面にかかる圧力を P2とします。

「上下面にかかる力の差が浮力」となっているはずなので、計算してみると、

F2 - F1
= P1S - P2S
= ρh2g・S - ρh1g・S
= ρhgs (← h=h2 -h1
= ρVg

このように、①に等しくなり、アルキメデスの原理で求めたものと同じになります。

<まとめ>
浮力 F = ρVg
・水中にある物体の下面にはたらく水圧は、上面にはたらく水圧よりも大きい
・物体の上下面にはたらく水圧の差=浮力

 

※ 理解を優先するために、あえて大雑把に書いてある場合があります

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