浮力について

質問

大気圧P、水の密度ρ、重力加速度gとします。
断面積S、高さhの円柱が水に浮いていてxだけ沈んでいます。
この時上面にかかる圧力がPSというのはわかりますが、
なぜ下面には、PS+ρxgの力がかかるのでしょうか？
大気圧は空気が下に押す力、ρxgは水が下に押す力です。
水中に潜れば下から水圧がかかることはイメージできますが、理屈付けができません。作用反作用でしょうか？
上に力がかかる理由を教えてください。

回答No.4

buturikyou

まず、浮力はプラグマティックな概念であると言うことからアナタの要求しているような完全な回答は存在しないことを(残念なことに)告げなくてはなりません！重力運動が時空の湾曲に起因した有る意味における慣性運動的な側面を持つのと同じようにニュートン力学的な意味における浮力などといった物は存在いたしません・・。《パスカルの原理》以前に《アリルキメデスの原理》が存在して測定できるので錯覚してしまうのです。浮力はけっして自然認識では出てこない技術屋的な観測量なのです。確かに実測できますが図示したように力が働いているわけではなく重力現象であるがために有る意味で慣性運動なのです。水中で浮上する物体の上下に働く水の圧力は分子運動によるモノで「両者は等しい」というのが答えです。理論物理学では《準静的移動》という話を仮想概念として扱いますが、浮力運動は重力場中の準静的移動です・・、ただ、私はこの話に自信が有るのですが高名な物理学者の中にも否定される方が多くおられるのではないかと危惧します、ま、それほどアインシュタイン理論は難解であるし、オリジナルに完全に沿って考えなければ正しい回答は得られないということです。また、物理教育学的には私の自説ということで通るかも分かりませんので学会誌に投稿もしくは定期学会で発表しようかな、と計画しておるところです。ま、ここまでしか言えないので悪く思わないで下さい、無機化学もそうですがひょんなことが分かっていないまま放置されているのですよ！

お礼

回答ありがとうございます。
今は覚えるだけにしといて、詳しいことは大学で学ぶことにします。

回答No.3

rukuku

こんばんは

＞水中に潜れば下から水圧がかかることはイメージできますが、
おそらく、ホンの、あと1つが分からないだと思います。

浮力を生み出しているのは「深さの差」です。
当然のことながら、下面は上面より深いところにあります
この差が浮力を生み出しています。

「パスカルの原理」は、向きにかかわらず、同じ深さであれば同じ力（単位面積あたり）が働くといっています。

と、回答を書きましたが、自分では理解しているつもりでも、他人に説明するのは難しいです。分からない部分があったら遠慮なく聞いてください。

回答No.2

yokkun831

>水中に潜れば下から水圧がかかることはイメージできますが、理屈付けができません。

それが流体（液体・気体）の圧力というものの特性なのです。流体の圧力は，すべての方向に働くわけです。それはもとをたどれば，自由に動き回る分子が相互に力を伝え合い，流体中の物体表面にぼこぼこぶつかってその力が伝わるということですね。深さxにある水はほんのわずかに圧縮されてもとに戻ろうとする力で物体表面を押すということもできます。上にある水の重みで圧縮された分，伝え合う力がちょうどその重みの分だけ増加するのです。

たとえば，長いホースをたらして先にポリ袋をつけ，上から水を入れてポリ袋に穴をあけると，どちらでも穴のあけた方向に水が飛び出しますね。圧力がどんな方向にも働いていることを示しています。

回答No.1

gohtraw

圧力と力は区別せねばなりません。Ｐは圧力なのでこれにＳをかければ力です。ρｘｇは圧力です。よってご質問のケースで円柱の下面が受ける圧力はＰ＋ρｘｇ、力だとＳ（Ｐ＋ρｘｇ）です。
　例えば深さｘのところに物体の上向きの面があったとすると、その面が受ける水圧は下向きにρｘｇです。同じ深さに垂直な面があったらその面が受ける水圧は水平方向にρｘｇです。水圧は（空気でも同じですが）あらゆる方向に働き得ます。水中にある物体で考えると、物体の面に垂直（物体を押す方向）に働きます。
　次の例として、この円柱が完全に水中にある場合を考えてみましょう。円柱の上面が深さｄのところにあるとします。すると下面はｄ＋ｈのところにあります。この二つの面が受ける水圧は
上面：ρｄｇ、方向は下向き
下面：ρ（ｄ＋ｈ）ｇ　方向は上向き
この差をとり、Ｓをかけて力に直すとＳρｈｇ
これってアルキメデスの原理でいう浮力ですね。浮力って（水の場合）水圧の差によって生じると考えることができます。