アルキメデスの原理を覚えていますか？
水に入った物質は、そのおしのけた水の重さだけ、浮力を受けることができます。
水中では、全ての物質に浮力が働いています。
しかし、沈む物質もあれば、浮かぶ物質もあります。
例えば丸太とクギを比べると、丸太は浮かんでクギは沈みます。たとえ、クギの方が小さくて軽くとも。
これはなぜでしょう？水に浮かぶのか沈むのかは、何が決め手になっているのでしょう？
水に浮かんだり沈んだりする分かりやすい理由
「物質が水に沈むのか、沈まないのか」は、物理ではとても簡単に理解できます。
物質の重さが浮力より大きければ水に浮かび、浮力より重さが大きければ水に沈みます。
重さが浮力に勝っていれば、当然沈んでゆきます。浮力が勝っていれば、浮かんでゆきます。
アルキメデスの原理によると、押しのけた水の重さこそが、浮力そのものでしたよね。
物質を水に沈めたときに溢れた水の重さが 10N であれば、浮力も 10N でした。
ということは、もしこの物質の重さが 10N よりも大きければ、物質は水に沈むはずです。
反対に、もしこの物質の重さが 10N よりも小さければ、物質は水に浮かぶはずです。
これこそ、「何が浮かんで、何が沈むのか？」がすぐに分かる考え方です。重さと浮力の戦いで、どっちが勝つのかを考えればよいのです。
丸太は、はたらく浮力の方が大きいから浮かびます。クギは、重さの方が大きいから沈みます。
物質の体積あたりの質量【密度】
「水に浮かぶのか沈むのか」を分ける決め手は「物質の重さと浮力、どちらが大きいか」です。
しかし、実はもっと簡単な判断方法があります。
それは、密度を考えることです。
密度とは、体積あたりの質量を表す
密度とは、体積あたりの質量を表す指標です。
体積とは、「物質の大きさ」とほとんど同じ意味です。
例えばボウリングの球と同じ体積の綿菓子があったとします。
しかし、ボウリングの球の方が圧倒的に質量が大きいですよね。よって、ボウリングの球の方が密度が大きいといえます。
ボウリングの球には物質の成分がぎっしり詰まっていますが、綿菓子は空気が多くてスカスカなわけです。
金でも鉄でも木でも何でも、全ての物質はそれぞれの密度を持っています。
密度を表す数式
この物質の密度は、数式で計算することができます。
密度とは体積あたりの質量であるので、質量を体積で割ると数値が出ます。
具体的には、g(グラム) を cm³ (立方センチメートル)で割ります。
密度の単位は、そのまま分数の線を斜めにし、g/cm³ と書きます。
グラム毎立方センチメートル(グラムまいりっぽうセンチメートル)と読みます。
例えば、サッカーボールの体積は約5500cm³ です。質量は 約440g です。
つまり、サッカーボールの密度は……
0.08 g/cm³ だということになります。
つまり、サッカーボールから 1cm³ だけ切り取れば、それは 0.08g になるということ。
もちろん、2cm³ 切り取れば 0.16g になる。
例えばボウリングの球の大きさ(体積)は、サッカーボールと同じくらい。質量はボールによって違いますが、重いものでは 約7kg(7000g) のものがあります。
つまり、ボウリングの重い球の密度は……
7000 ÷ 5500 を計算して四捨五入すると、1.27 g/cm³ となりました。
サッカーボールは 1cm³ あたり 0.08g であり、ボウリングの球は 1cm³ あたり 1.27g の質量だということですね。
水の密度は 1g/cm³
もちろん、液体にも密度があります。
水の密度はとてもシンプルで、 1g/cm³ です。水 1cm³ あたりの質量が 1g だということですね。
1 g/cm³ なので、水は 1cm³ で 1g になるという意味。
もちろん、水が 2cm³ あれば 2g ですし、10cm³ あれば 10g です。
それが【密度】の意味。
密度が水より大きければ、水に沈む
サッカーボール、ボウリングの球、水のそれぞれの密度を並べてみましょう。
実は「水に浮かぶか、沈むか」は、密度によって簡単に判断できます。
水より密度が大きな物質は水に沈み、水より密度が小さな物質は水に浮きます。
水の密度 1g/cm³ より大きな密度があれば沈むし、小さければ浮かびます。
いろいろな物質の密度をまとめたのが以下の表です。
(密度は、物質ごとに決まっています。)
「木材」と言っても、密度は木の種類によります。今回はスギの木の密度で考えています。
よく、灯油やガソリンなどの石油製品が海に流れ込み、環境破壊をしてしまうシーンをよく目にします。
灯油などの石油製品の多くの密度は水の 1g/cm³ よりも小さいので、水に浮かんで漂いつづけることになります。
重い丸太は水に浮かび、軽いクギが沈むのも、密度を考えればすぐに分かることですね。
木材(スギ)の密度は約0.38, 鉄の密度は約7.86。
水より密度が小さな物質は、浮力が強くなり浮かびます。反対に水より密度が大きな物質は、重さが大きくなり沈みます。
液体の密度により、浮かびやすさが変わる
今までの話は、あくまでも「水」に限った話。
それでは、「水銀」という液体について考えてみます。
水銀は、常温で液体である珍しい金属です。液体ですが、金属なので密度がとても大きいです。
したがって、水銀の中に物質を入れてみると、ほとんどの物質が浮かぶはずです。
水銀よりも密度の大きな物質しか沈まないからです。
つまり、密度の大きな液体ほど、物質は浮かびやすいのです。
アラビア半島にある湖、死海を知っていますか？
プカプカ浮きながら新聞を読む姿から分かるように、死海ではとても浮かびやすいです。
死海は塩分濃度が海水の約10倍、30%ととても高い珍しい湖です。当然、死海の水の密度はとても高くなっており、約1.33g/cm³ です。
密度が高い水なので、普通の水よりもとても浮かびやすいわけです。
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