浮く物体と沈む物体がある理由を考えたことはありますか?液体中のすべての物体は、液体から上向きの力を受けることをご存知ですか?掘り下げてもっと調べてみましょう。
学習目標
このトピックの終わりまでに、次のことが期待されます。
序章
液体中のすべての物体は、水中にあるか浮いているかにかかわらず、液体から上向きの力を受けます。この上向きの力を突き上げ力と呼ぶ。突き上げ力は浮力とも呼ばれ、文字「u」で表されます。
アルキメデスの原理
アルキメデスという名前のギリシャの科学者は、液体中の物体の突き上げを測定する最初の実験を行いました。アルキメデスの原理は、「物体が流体に完全に浸されると、押しのけられた流体の重量に等しい上向きの力を受ける」と述べています。
固体が液体に浸されているとき、この固体の押し上げ力は、押しのけられた水の重量に等しくなります。
例えば、体積が60cm 3で空気中の重さが4.80Nの金属ブロックが液体に沈んでいるとします。ブロックを密度 1,200 kgm -3の液体に完全に沈めたときの重量を求めます。
解決
置換された液体の体積 = 60cm 3 = 6.0 × 10 -5 m 3 。
押しのけられた液体の重量 = 体積 x 密度 6.0 × 10 -5 × 1200 × 10 = 0.72 N
突き上げ = 押しのけられた液体の重量。液体中のブロックの重量 = 4.80 – 0.72 = 4.08 N
浮遊物
液体に浮かぶオブジェクトは、それらが浮かぶ液体よりも密度が低くなります。押しのけられた液体の重量と物体の重量との関係を求めることができます。
押しのけられた液体の重さは、空気中のブロックの重さと同じです。これは、「物体が自重を移動させる」という浮力の法則と一致しています。この関係は、以下に示すように数学的に表すことができます。
重さ＝体積×密度×重力＝v×ρ×g
W = vd × ρ × g ここで、vd は押しのけられた液体の体積です。
浮遊はアルキメデスの原理の特別な種類であることに注意してください。これは浮体が自重と同じ押し上げ力になるまで沈むからです。
相対密度
相対密度は、水の密度に対する物質の密度の比として確立されています。浮力の法則により、物体は自重に等しい流体を押しのけるため、次の数式が成り立ちます。
相対密度 = \(\frac{\textrm{ density of substance}}{\textrm{density of water}}\) \(\frac{\textrm{weight of substance}}{\textrm{weight of equal }volume of water}\) = \(\frac{\textrm{mass of substance}}{\textrm{mass of equal volume of water}}\)
相対密度とアルキメデスの原理の応用
1.船。鉄の針はすぐに水に沈むのに、大きな船は沈まないのはなぜだろうと思ったことはありませんか?答えはアルキメデスの原理です。押しのけられる水の重量が針の重量よりも小さいため、釘が沈みます。鉄の密度は水の密度よりも大きいのです。アルキメデスの原理は船の建造に応用されています。船の大部分は、押しのけられた水よりも船の重さを軽くするために中空のままになっています。押しのけられた水と同じ大きさの浮力が船を浮かせ続けます。
2.潜水艦。潜水艦は水に浮くことができ、潜水することもできます。これは、バラストタンクと圧縮タンクによって実現されます。バラストタンクが水で満たされると、潜水艦は水没します。これは、置換された水よりも密度が高いためです。バラスト タンク内の水が圧縮されたタンクの助けを借りて排出されると、潜水艦の密度は、排出された水の密度よりも低くなります。したがって、潜水艦は浮くことができます。
3.熱気球。気球の周りの空気の重さが気球の重さよりも大きいと、気球は空中に浮き上がります。重さが等しいとき、風船は静止したままです。
4.比重計。液体の比重や比重を測る器具です。それは、より広いベースの電球形のガラスの中空管で構成されており、両端が密閉されています。液体の比重を得るために、液体に沈められた比重計のレベルと、比重計によって置換された水が測定されます。比重計が深く沈む場合、サンプル土壌の比重が小さいことを示します。
