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アルキメデスの法則

アルキメデスの法則に関する資料

船を見たことがありますか？もし実物を見たことがなくても、テレビやインターネットで見たことがあるかもしれません。質量が非常に大きい船は沈みませんが、小さくて軽い石は沈むことがあります。なぜでしょうか？浮力とアルキメデスの原理の概念を理解すれば、答えは非常に簡単です。

日常生活では、岩などの物体を流体中に置いた場合、流体中にない場合よりも重量が軽くなることがわかっています。地面の表面から岩を持ち上げるのは難しいかもしれませんが、同じ岩でもプールの底から簡単に持ち上げることができます。これは浮力によるものです。浮力は、異なる深さでの流体圧力の差によって生じます。流体圧力は深さとともに増加し、流体が深くなるほど流体圧力は大きくなります。物体を流体中に置くと、物体の上にある流体と下にある流体の間に圧力差が生じます。物体の底にある流体の圧力は、物体の上にある流体の圧力よりも高くなります。

流体圧力

流体圧力材料

物理学において、圧力は単位面積あたりの力として定義され、力の方向は表面積に垂直です。数学的には、圧力は P = F/A という式で表されます。ここで、P は圧力、F は力、A は表面積です。力 (F) の単位はニュートン (N)、面積の単位は平方メートル (m²) です^。圧力は単位面積あたりの力であるため、圧力の単位は N/m² です^{。N /}^m²の別名はパスカル (Pa) です。パスカルは、ブレーズ・パスカルにちなんで圧力の単位として使用されています。

流体が静止しているとき、流体は接触している表面全体に垂直な力を及ぼします。例えば、グラスの中の水を考えてみましょう。水の各部分はグラスの壁に対して垂直な力を及ぼします。したがって、水の各部分は、それが占める容器の単位面積ごとに垂直な力を及ぼします。これは、静止流体、つまり静止している流体の重要な性質です。流体が表面に力を及ぼすとき、その力が垂直でない場合、表面は反作用力を及ぼしますが、これも垂直ではありません。これにより流体は流れます。しかし、実際には流体は静止したままです。したがって、静止している流体では、力は常にそれが占める容器の表面に垂直です。

静的流体と動的流体の理解

物理学では、流体とは流れることができる物質と定義されます。日常生活で出会う物質は固体、液体、気体から構成されていることを学習しました。流体という用語は、水のような液体と空気のような気体は流れることができるため、液体と気体の両方を含みます。岩や鉄のような固体は流れることができないため、流体として分類することはできません。この説明をよりよく理解するために、日常生活からいくつかの例を考えてみましょう。シャワーを浴びるときは、間違いなく水が必要です。貯水槽に水が届くには、泉から流れてくるか、井戸から汲み上げられます。水は液体の例です。潤滑油、牛乳など、他にも液体の例があります。これらの液体はすべて、ある場所から別の場所へ流れることができるため、流体として分類できます。気体も流体です。気体もある場所から別の場所へ流れることができます。突風は、空気がある場所から別の場所へ移動する例です。

表面張力

表面張力を理解する

表面張力は、液体の表面が硬くなり、薄い膜のような外観になる傾向があるために発生します。これは、水分子間の凝集力によって影響を受けます。この説明をよりよく理解するために、次の図を考えてみましょう。容器に入った液体を考えてみましょう。

表面張力 1 液体分子は通常、互いに引き合います。液体内部では、各液体分子は両側を他の分子に囲まれていますが、液体の表面では、側面と下側にのみ液体分子が存在します。上側には他の液体分子は存在しません。液体分子は互いに引き合うため、液体内部の分子には正味の力が働きません。逆に、表面の液体分子は側面と下側の液体分子に引きつけられます。その結果、液体の表面には下向きの正味の力が働きます。この下向きの正味の力のため、表面の液体は表面積をできるだけ小さくしようとして、縮もうとします。

ポアズイユの式

これは、故ジャン・ルイ・マリー・ポアズイユ（1799-1869）によって発見されたことから、ポアズイユの方程式と呼ばれています。前述のとおり、すべての流体は理想流体とみなすことができます。理想流体には粘性がありません。パイプの中を流れる理想流体を想像すると、流体のすべての部分が同じ速度（v）で動きます。理想流体とは異なり、実際の流体、つまり私たちが日常生活で遭遇する流体には粘性があります。粘性があるため、例えばパイプの中を流れる場合、流体の各部分の速度は異なります。中央の流体層は速く動き（vが大きい）、パイプに付着した流体層は動きません（v = 0）。つまり、パイプの中心から端まで、流体のすべての部分が異なる速度で動きます。理解を容易にするために、下の図をご覧ください…

密度と比重

材料の密度と比重

密度

物質の重要な性質の一つに密度があります。密度とは、物質の質量と体積の比のことです。数式で表すと次のようになります。

ρ = m/V

ρは密度を表すギリシャ文字で、mは質量、Vは体積を表します。均質な流体の密度は、均質な固体の密度とは根本的に異なります。例えば、鉄や氷はどの部分でも同じ密度です。これは、大気や水などの流体とは異なります。地球の大気では、地表から高度が高くなるほど密度は低くなりますが、例えば海水では、深層部ほど密度が高くなります。均質な流体の密度は、温度や圧力などの環境要因によって変化する可能性があります。