浮力

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浮力の例の説明図。水面に浮いていて静止している物体では、重力(gravity)と浮力(buoyancy)とが、つりあっている。
水圧の説明図。水深が深くなるほど、比例して水圧が強くなる。水圧の方向は、物体の面に垂直方向に働く。

浮力(ふりょく、: buoyancy)とは、などの流体中にある物体重力とは逆の方向に作用するである。

浮力の原因はアルキメデスの原理によって説明される。物体は流体から圧力静水圧)を受けている。このとき圧力は物体の上と下では異なり(富士山の頂上の気圧と麓の気圧のように)、下から受ける力の方が大きい。この物体が受ける上下の力の差が浮力である。すなわち、物体には下向きの重力とは逆の、上向きの力が作用するのである。

定式化[編集]

物体が受ける浮力は、その物体と同じ体積の(周囲の)流体に作用する重力に等しい。すなわち以下のようになる。

F_b = \rho_f Vg
Fb :浮力(N, kg·m/s²)
ρf :流体の密度(kg/m³)
V :物体の体積(m³)
g重力加速度(m/s²)

この式の厳密な導出には発散定理を用いる。

さらに、物体の密度が ρs であるとすると、物体にはたらく重力と浮力との合力は(上向きを正として)、

F = (\rho_f-\rho_s) Vg

となる。したがって

  • 物体が流体より軽い(ρs < ρf )とき、F > 0 、すなわち物体は浮く
  • 物体が流体より重い(ρs > ρf )とき、F < 0 、すなわち物体は沈む

ことが分かる。

無次元数[編集]

流体力学で用いられる無次元数のうち、浮力に関するものには以下がある。いずれも、他の何らかの力との大きさの比を表す。

関連項目[編集]