水圧・浮力（アルキメデスの原理）
プールで深く潜ると耳が痛くなる、お風呂で体が軽く感じる──これらは水圧と浮力の現れです。
基本知識
水圧は水の重さによってはたらく圧力で、深さに比例して大きくなります。深さ h [m] における水圧は次の式で求められます:水圧 P = ρgh ( ρ:水の密度 1000 kg/m³ 、g:重力加速度 9.8 m/s² )
水中の物体にはあらゆる方向から水圧がはたらきますが、上下を比べると下からの方が大きいため、上向きの差し引きが残ります。これが浮力です。
アルキメデスの原理: 物体が押しのけた液体(水)の重さに等しい大きさの浮力がはたらく。浮力 = ρ × V × g ( V:水中部分の体積 )
📘 重要用語
水圧（水の重さによる圧力。深さに比例）
浮力（液体・気体中で物体にはたらく上向きの力）
アルキメデスの原理（浮力 = 押しのけた液体の重さ）
密度 ρ（単位体積あたりの質量。水は約 1000 kg/m³ = 1 g/cm³）
浮く条件（物体の密度が液体より小さいと浮く）
沈む条件（物体の密度が液体より大きいと沈む）
水圧（水の重さによる圧力。深さに比例）
浮力（液体・気体中で物体にはたらく上向きの力）
アルキメデスの原理（浮力 = 押しのけた液体の重さ）
密度 ρ（単位体積あたりの質量。水は約 1000 kg/m³ = 1 g/cm³）
浮く条件（物体の密度が液体より小さいと浮く）
沈む条件（物体の密度が液体より大きいと沈む）
深掘り (背景・意義)
アルキメデス(紀元前3世紀)は、王の冠が純金かを調べるため、水に入れたときの水位上昇から体積を測り、密度を計算したと伝えられます(「ユーリカ」のエピソード)。
船が鉄でできているのに浮くのは、船全体の平均密度(空気を含む内部空間も含む)が水より小さいからです。
潜水艦はバラストタンクに水を入れて全体の平均密度を変え、浮上・潜水を制御します。
水深10mごとに約1気圧(約10万Pa)水圧が増加します。海の深さ1万mのマリアナ海溝では約1000気圧という極限環境です。
浮力は空気中でも生じます(物体は空気の浮力でわずかに軽く感じる)。気球や飛行船は空気の浮力で浮かびます。
💡 ポイント
- 水圧は深さに比例 ( P = ρgh )
- 水深10mで約1気圧増加
- 浮力 = 押しのけた液体の重さ (アルキメデスの原理)
- 水の密度: 約 1000 kg/m³ = 1 g/cm³
- 浮く条件: 物体の密度 < 液体の密度
- 船が浮く理由: 内部空間も含めた平均密度が水より小
- 潜水艦はバラストタンクで密度を調整
注意点 (混同しやすい)
① 水圧は深さに比例し、すべての方向からはたらく。②浮力は水中部分の体積で決まる(物体全体の質量ではない)。③ アルキメデスの原理は液体だけでなく気体でも成り立つ。④ 水中で物体が浮く・沈むは「物体と液体の密度」で決まる。質量や大きさだけでは判断できない。
練習
- 水圧が深さによって変わる関係を簡潔に答えなさい。
- アルキメデスの原理を文章で説明しなさい。
- 鉄でできた船が浮く理由を説明しなさい。