浮力

浮力の概念

浮力（ふりょく）とは、流体中に存在する物体に対して重力とは逆の方向に作用する力を指します。この力は、物体が流体に浸された時、上部と下部で受ける圧力の差から生じます。圧力は物体の深さによって異なり、下側で受ける圧力が上側よりも大きいため、物体には常に上向きの力が作用します。

アルキメデスの原理

浮力の発生を理解するためには、アルキメデスの原理を知ることが大切です。この原理は、物体が流体中に完全に浸かっている場合、物体を取り囲む流体に働く重力が浮力に等しいことを示しています。具体的には、浮力は次の式で表されます。

$$
F_{b} =
ho_{f} V g
$$

ここで、

• - $F_{b}$ は浮力（単位はニュートン[N]）、
• - $

ho_{f}$ は流体の密度（単位はkg/m³）、

• - $V$ は物体の体積（単位はm³）、
• - $g$ は重力加速度（単位はm/s²）です。

この式は物体が受ける浮力の大きさを示しており、物体が全て流体に浸かっている場合、浮力は流体により変化することはありません。

浮力の合成

物体に働くアプローチとして、物体の密度を $
ho_{s}$ とした場合、浮力と物体の重力（つまり、重さ）の合力は次のような式で表現されます。

$$
F = (
ho_{f} -
ho_{s}) V g
$$

この公式により、物体の密度が流体よりも小さい（$
ho_{s} <
ho_{f}$）場合、合力 $F$ はプラスになり、物体は浮きます。一方、物体の密度が流体よりも大きい（$
ho_{s} >
ho_{f}$）場合、合力 $F$ はマイナスとなり、物体は沈みます。

無次元数による浮力の分析

流体力学において、浮力と関連する無次元数がいくつか存在します。これらは他の力との関係を示すために用いられます。

• - リチャードソン数：慣性力との比。
• - グラスホフ数：粘性力との比。
• - レイリー数：熱拡散との比。
• - エトベス数：表面張力との比。

これらの無次元数は、流体中の物体の行動を理解する際に非常に重要な役割を果たします。

関連項目

浮力に関連する他の概念や現象には、中性浮力（浮力と重力が釣り合った状態）、アルキメデスの原理、液状化現象、船、飛行船や気球、風船、揚力などが含まれます。これらの項目は、浮力の理解を深めるための興味深いテーマです。

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