物理物理学・力学理科

「浮力」と「摩擦力」の本質を理系学生ライターが5分でわかりやすく解説!

今回は、力学で学習する「浮力」と「摩擦力」について解説していきます。

「浮力」と「摩擦力」はどちらも、身近なところで作用している力で、力学の基礎を勉強する上で避けて通ることができない部分です。しかしながら、物理学的な言葉で説明しようとすると、戸惑ってしまうことも少なくない。ぜひとも、この記事を読んで、「浮力」と「摩擦力」の考え方を完璧に理解してくれ。

塾講師として物理を高校生に教えていた経験もある通りすがりのぺんぎん船長と一緒に解説していきます。

ライター/通りすがりのペンギン船長

現役理系大学生。環境工学、エネルギー工学を専攻しており、物理学も幅広く勉強している。塾講師として物理を高校生に教えていた経験から、物理の学習において、つまずきやすい点や勘違いしやすい点も熟知している。

浮力について学ぼう

浮力とは

image by PIXTA / 48941798

この記事の前半では、浮力について学んでいきましょう。浮力とは、流体の中に存在する物体にかかる力のことを指します。流体は、一般的に液体および気体のことです。つまり、水、油、空気などはすべて流体だということですね。

実は、浮力というのは身近に感じられる力の一つでもあります。浮き輪が水に浮かぶという現象、気球が空に浮かんでいる現象などは浮力が密接に関係しているのです。

しかし、浮力は身近に感じられる力である一方、いざそれを数式で記述しようとすると少し戸惑ってしまいます。それゆえ、浮力を本質的に理解するためには、実際に練習問題などを解いてみるということが非常に大切です。

浮力の向き

浮力の向き

image by Study-Z編集部

まず、浮力の向きについて考えてみましょう。浮力の向きは、私たちの経験から直感的に理解することができます。空気の入った浮き輪を、プールの底に沈めて、手を放すとどのようになるでしょうか?水面に向かって、まっすぐ浮かんでいきますよね。このことから、浮力が鉛直上向きの力であることがわかります。

なぜ、浮力が鉛直上向きの力になるのかを、もう少し詳しく考えてみましょう。浮力が生じる原因は流体の圧力です。水の場合で考えると、水圧は深くなればなるほど、大きくなります。つまり、水中に存在する物体の上面がうける水圧は、下面が浮ける水圧よりも小さいのです。このとき、物体は見かけ上、鉛直上向きの力がかかっていることになりますよね。

また、浮力の作用点になる位置を浮力中心といいます。作用点とは、ベクトル(力の矢印)の始点のことです。浮力中心は、物体の流体に浸かっている部分の重心と同じ位置になることが知られていますよ。

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