浮力の正体―水中の氷は何故浮くのか―

こんにちは。

中学三年生では理科の授業で少し前から “力” の範囲に入っているのですが、「浮力」が難しい

ようでよく質問に来ます。

お風呂やプール、海などで実感できるため比較的身近な「浮力」ですが、それがどのように物体

に働いているのかはあまり考える機会がないと思います。

ですので今日は浮力の正体をお話し、氷が水に浮く理由を解説したいと思います。

浮力を考える上で大事なポイントは以下の2つです。

1. 重力とは逆向きに働く

2. その物体がなければそこに存在したはずの流体(今回の場合、水)の重さの分だけ力が加わる

1 はともかく、2 が難しいですね。

例えば、人がプールに入ると水を押しのけて沈みます。

ということは、人が入らなければそこには水が存在したはずなのです。

人が入ることによって押しのけられた水が50kgだとすると、水50kg分の重力が上向き(重力の逆)

に加わります。

この上向きに加わる重力が“浮力”です。

浮力がどのように加わるかイメージできたでしょうか？

では、ちょっとした図を使って考えてみましょう。





これは水中に鉄球を沈めた例です。

鉄球が無ければそこには水があったはずなので、その水の重さの分だけ上向きに浮力が加わり

ますが、鉄球に加わる重力の方がずっと大きいので下に沈んでいきます。

では、本題の水と氷の話に進みましょう。

水は凍って氷になると体積が大きくなります。

ペットロボットを凍らせてパンパンになってしまった経験がある方も居られると思います。

質量は変わらずに体積だけ大きくなるため氷は水に比べるとスカスカ（密度が小さい）です。

ですので、水と氷を同じ体積にして比べると水の方が重くなります。

では、氷を水に沈めてみましょう。





鉄球の時と同様に氷が無ければそこには水があったはずなので、その水の重さの分だけ上向きに

浮力が加わりますが、押しのけた水の方が氷より若干重いので氷に加わる重力よりも浮力の方が

大きくなります。

結果、上向きの力が勝って氷は上へ上へと進むのです。


いかがでしょうか。

長い説明になってしまいましたが、いつかこの知識を使える時が来ると思いますので良ければ

覚えてください。