浮力

質問

浮力について質問です。

水中において
体積がV,密度がρの物体は
浮力は　（水の密度）×V×g

であらわされて

仮に物体にはたらく浮力と重力がつりあっていた場合

浮力 - 重力＝０
だから
（水の密度）×V×g - ρVg = 0

ρ=水の密度

となります。仮にこの物体を
ガラス瓶に重りを入れたものとして、密度を調節した場合

水中では常に浮力＝重力となってふわふわしていることに
なりますよね。
こういう場合は水中でこのガラス瓶をどこに持っていっても
その場所で静止するのでしょうか？

たとえば水面ぎりぎりでも水槽の底でも物体はその場所で
静止したままなのでしょうか？

水の温度は一定で密度は変わらないとすれば、力のつりあいから
このようになると思うのですがあっていますか？

ガリレオ温度計を調べていて気になったので質問してみました。

回答No.8

foomufoomu · ベストアンサー

いまさらな話ですが、浮力は物体の密度によって決まり、密度=質量÷体積です。これが水と同じになるようにすれば、どこでも静止できます。
2番の人が「絶対不可能」と書いているのは、ガリレオ温度計のように、浮力調整に空気を使った場合の話で、空気の体積が水圧や温度の影響を受けて変わるため、水深によって浮力が変わってしまうからです。
しかし、バチスカーフのように、油、砂などをつかって(空気が入らないようにして)浮力調整すれば、密度の変化はほとんどないので、「どこでも静止」が作れるでしょう。
（バチスカーフについてはWikipediaなどで調べてください）

回答No.9

ORUKA1951

No.2で、「不可能」といいました。
　実際に試されたようで・・
なぜ静止できないのかの理由です。
・水中の物体は周囲からその水深に応じた圧力を受けます。
・物体は圧力によって体積が変化します。
・体積が変化すると浮力が小さくなる。
　完全に圧力で変形しない--厳密には水の体積/圧力と同じ変化をするものでない限り、定点に固定できないのです。
　先に紹介したペットボトル握力計は、下部に鎖をつけることで浮力が減ると沈下して鎖が短くなることで、体積変化による浮力の変化を吸収しています。

　あなたが条件に挙げられた
※水の温度は一定で密度は変わらないとすれば、
　がなければ、言い換えれば底のほうが冷たく水の密度が大きいとか、底に塩を入れておくとかすれば、定位置に浮かべることは可能です。

　また、お気づきのようにペットボトルの握り加減を微妙に調整するとタレビン内の空気の体積を調整できますが、それがないと困難になります。お試しのように、ずれ始めるとその影響はますます大きくなりコントロール不能になるのです。水深10m(水圧約2気圧)で、その位置でバランスを取ったとしても、水深30m(水圧約4気圧)になれば、その体積変化が水より大きければ・・。(ただし、水に比較して圧縮率が小さいものだとバランスできるでしょう)・・表面に気泡が付いていただけで。

　その上でガリレオ温度計を観察されると分かりますが、中間に浮いているものはないのです。浮くか沈むかの必ずどちらかになります。
　(注)ガリレオ温度計は、内部の球の密度変化ではなく、外部の液体の密度変化を利用するため、原理的には中間で停止させることが可能だと思います。浮沈子と違いますので。

　バチスカーフのような深海潜水艦の底部に、重い鎖がたれているのは、万が一制御が出来なくなった時に海底に衝突するのを防ぐためのものです。なぜそれが機能するかを考えて見ましょう。

回答No.7

htms42

＃１、＃３です。
「検索してみてください」と書いたのですが、気になって作ってみました。
台所の隅に１つ小魚型の容器がありました。長さが４．５ｃｍほどです。
この容器は水を一滴ずつ出すということができますので微調整が楽です。
クリップは４つつけました。ぎりぎり浮くところという水の量がむつかしいのですが半分ほどの水の量で尻尾の先が水面すれすれになるようにできました。５００ｍＬのペットボトルに水を２／３ほど入れてお魚さんを入れます。しっかりとキャップを閉めて浮きの姿勢が安定した状態でペットボトルを握って力を加えます。浮きがゆっくりと沈み始めます。力を緩めるとまた浮いてきます。途中の位置に止めることもできそうです。

調整に手間取るかもしれませんがうまくできると面白いですよ。

回答No.6

uen_sap

もってまわった表現となっていますが、物体の密度を水と同じとすればフワフワとなります。
底であろうが、表面であろうが同じ。
表面と底で水の密度が異なれば、物体の密度は変えてやらなければなりません。

回答No.5

foomufoomu

ガリレオ温度計でなく、潜水艦の一種のバチスカーフだと話がだいぶ違ってきます。
バチスカーフは浮力を調整するために水より軽い「油」（水圧がかかっても体積はほとんど変わらない）と重い「石、砂」を積んで、それらを捨てることで浮力を調整します。
この場合は、かなり広い範囲で「どこでも静止」できるのではないでしょうか。（もっとも人間が乗る部分は空気室なので水圧の影響を受けます。これが頑丈な器で変形がないとしての話です。）

海底のほうの水は冷たく比重が大きいとすると（中の油の温度変化がないとすると）中間で止まるのかもしれません。この場合は逆の意味で「どこでも静止」できないことになります。
（ガリレオ温度計は空気の膨張のほうが大きくので、こうはならないはずです）

お礼

ご回答ありがとうございます。

バスチカーフという言葉は初めてききました。
海の中の潜水艦だと海底のほうが比重が大きくなるでしょうから
雲の上にのるようにどこかでふわふわつりあう状態になるのでしょう。

お風呂の水とかだとこの状況だと思うのですが、釣り合いを作るのが
難しく苦戦中です。
そうなるとお風呂の水を攪拌して、温度を一定に保ったところでつりあい
をつくると（つくれると）どこでもふわふわ静止できるということになりますね。

つりあいの状態が1点なので後者は難しいのですが。。。
理論上は可能な気がします。

回答No.4

foomufoomu

＞ガリレオ温度計を調べていて気になったので質問してみました。
ガリレオ温度計の場合は、「どこでも静止」というわけにはいきません。
中の空気が、水圧によって体積が変わり、水面近くでは体積が大きくなって浮力が大きくなって浮きやすく、底面近くでは逆に沈みやすくなります。つまり中間で止まっているのはむつかしいのです

こんな写真がありますが、
http://www.sunny-spot.net/webshop/galileo.html
中間のウキは、上下にあるウキで押されて、中間付近にしかいられないため、前記の水圧の影響があまりない範囲にいるのではないかと思います。

あるいは、気象で云う、逆転層ができているのかもしれません。下のほうの水の温度が高く、上のほうの温度が低い、という普通とは逆の状態ができている状態です。（器の下から暖められて、かつ対流が暖められる速度より遅い場合）

私も以前ガリレオ温度計をもっていましたが、中間に浮かんだ状態は、１度見たぐらいです。

回答No.3

htms42

＃１です。
以前にやった時には姿勢を安定させるということでゼムクリップの重りを取り付けたように思います。
細かいことは忘れましたので詳しいことは検索してみてください。

魚の形をした容器を使った浮沈子は横からの圧力で形が変わりやすくなっています。水圧が変わると体積が変わります。丈夫な容器を使うと大きな力が必要になりますが子魚型の容器は小さい力で変形します。浮き沈みの微調整も容易です。

回答No.2

ORUKA1951

＞水中でこのガラス瓶をどこに持っていっても、その場所で静止するのでしょうか？
　絶対に不可能です。実際に「たれビン」などで実験した経験があれば、体験として不可能なことは知っているはずです。簡単に試せることを、試してみることをしなければ科学ではありません。
　子供の頃、毎日お風呂でこれをしようと散々挑戦して出来ないので、その観察から理由が分かった経験があります。

＞仮に物体にはたらく浮力と重力がつりあっていた場合
　水中では起きないのですよ。
　試してみればすぐ分かります。起きるのは自身(水中の水)だけなのです。

　理由はあえて言いません。実際に自分で試してください。PETボトルとお風呂と水があればできますから・・

　唯一の方法は、
　⇒ペットボトル握力計( http://iruka.la.coocan.jp/craft/HandDynamometer/index.html )

お礼

ご回答ありがとうございます。

”絶対に不可能”ですか。
なにぶん考えたのが深夜だったもので、計算式上は
あってるけど試すのは明日でいいや、という感覚でした。

もちろん今朝試しましたよ。
丁度モンダミンの容器があったので風呂の残り湯を利用
して釣り合いが取れるか試してみました。

結果は、つりあいの位置を探すのが困難、というもの。
ぎりぎり浮く場合と沈むがふわふわしている場合があって
どちらともモンダミンの容器には水がまだ入る状態でした。
ということはすごく微調整がきけば、静止させることもできるのでは
ないか、という見解です。とはいうものの浮くと沈むの境界は
一点のみなので相当難しい気がしますが。

水の調整は難しいので、もう少し小さめの圧力で変形しない容器
を用いて、内容物をビーズか何かの微調整可能な物体に変えて
再実験をしてみようと思います。

回答No.1

htms42

お刺身を買うとよくついているお醤油を入れる小さな魚の形をしたプラスティック容器がありますね。
入れる水の量を調整すると水中に浮いて止まる浮きを作ることができます。透明な細長い容器の中に水を入れて観察するとわかりやすいです。
「浮沈子を使った浮力の実験」で検索すると出てくると思います。
ペットボトルに水を入れて浮きを入れふたをします。外から力を加えます。中の空気の部分の圧力が変わりますので浮力に変化が生じます。魚の浮きが浮いたり沈んだりします。好きなところで浮きを止めることもできるはずです。

お礼

早速の回答ありがとうございます。

浮沈子の実験なつかしいですね。
もしも浮沈子をペットボトルの中心位置で止めることができ
それを棒か何かで突っつくことができた場合は、浮沈子の
位置を自由自在に変えられるのかというのは想像すると
ちょっとおもしろそうです。

あまり浮沈子の意味はないような気がしますが。