浮力計算ツールとは？
このツールは、アルキメデスの原理を使って、流体中に沈んだ物体にはたらく浮力（上向きの力）を計算します。アルキメデスの原理とは、流体に全体または一部が沈んだ物体は、押しのけた流体の重さに等しい上向きの力を受ける、という法則です。任意の流体と、単位の整合したSI入力に対応しているため、どんな場面でも普遍的に使え、特定の国や地域に依存する前提はありません。
使い方
次の3つの値を入力します。流体の密度（kg/m³）、物体が押しのけた流体の体積（m³）、そして重力加速度（m/s²。地球上では通常9.81）です。物体が完全に沈んでいる場合、押しのけた体積は物体そのものの体積に等しくなります。物体が浮いている場合は、水面下に沈んでいる部分の体積だけになります。計算結果は、浮力（ニュートン単位）と、押しのけた流体の質量（キログラム単位）です。
計算式の解説
基本となる式は Fb = ρ · V · g です。ここで ρ は流体の密度、V は押しのけた体積、g は重力加速度を表します。ρ·V は押しのけた流体の質量を意味し、これに g を掛けることで質量を重さ（力）に変換します。代表的な流体の密度は、真水で約1000 kg/m³、海水で約1025 kg/m³、空気で約1.225 kg/m³です。
計算例
ある物体が地球上（g = 9.81 m/s²）で、真水（ρ = 1000 kg/m³）を0.05 m³押しのけたとします。このときの浮力は F = 1000 × 0.05 × 9.81 = 490.5 N となり、押しのけた流体の質量は 1000 × 0.05 = 50 kg です。この浮力が物体の重さを上回れば、その物体は浮きます。
一般的な流体密度
浮力は排除された流体の密度、\(\rho\)に直接依存し、\(F_b = \rho \, V \, g\)の関係式で表されます。以下の表は標準温度（約20°Cで、物質の標準状態が異なる場合を除く）における代表的な密度を示しています。値は立方メートルあたりキログラム（kg/m³）で与えられており、これはこの計算機で使用されるSI単位です。
| 流体 | 密度（kg/m³） | 備考 |
|---|---|---|
| 淡水 | 998 | 20°C；4°C時には約1000 |
| 海水 | 1025 | 典型的な海洋塩分 |
| 油（軽質原油／植物油） | 約900 | 850～950で変動 |
| ガソリン（ペトロール） | 約745 | 720～775で変動 |
| エタノール | 789 | 純粋、20°C |
| 水銀 | 13534 | 液体金属、20°C |
| グリセリン（グリセロール） | 1261 | 20°C |
| 空気 | 1.204 | 乾燥空気、20°C、101.325 kPa |
| ヘリウム | 0.1664 | 0°C、101.325 kPa |
例として、海水に完全に浸漬された0.010 m³の物体（\(\rho = 1025\) kg/m³）が標準重力下で経験する浮力は\(F_b = 1025 \times 0.010 \times 9.80665 = \) 100.5 Nです。ここに示した空気の密度は、与えられた圧力と温度に対して理想気体の法則から独立して導出できます。
定数と参照値
浮力の公式は3つの量を使用します。SI単位を一貫して保つことにより、結果がニュートン（N）で得られます：
| 記号 | 量 | SI単位 |
|---|---|---|
| \(F_b\) | 浮力 | ニュートン（N = kg·m/s²） |
| \(\rho\) | 流体密度 | kg/m³ |
| \(V\) | 排除体積 | m³ |
| \(g\) | 重力加速度 | m/s² |
重力に使用される標準値は国際的に定義された標準重力、\(g_0 = 9.80665\) m/s²です。実際の局所値は緯度と高度によってわずかに変動します：
| 場所 | g（m/s²） | 標準値との相対値 |
|---|---|---|
| 標準重力（定義値） | 9.80665 | — |
| 赤道（海面） | ≈ 9.780 | わずかに弱い |
| 極地（海面） | ≈ 9.832 | わずかに強い |
| 月（表面） | ≈ 1.62 | 地球の約1/6 |
| 火星（表面） | ≈ 3.72 | 地球の約0.38 |
赤道と極地の重力の差（約0.5%）は地球の自転とその扁平な形状から生じます。ほとんどの工学および物理学の問題では、標準値9.80665 m/s²（9.81 m/s²に丸められることが多い）で十分な精度があります。
結果の解釈
浮力\(F_b\)は、物体がそれを排除する流体に加える上向きの押力です。物体が浮くか沈むかを予測するために、\(F_b\)と物体の重さ\(W = m g\)を比較します：
- 浮く：最大可能浮力（物体が完全に浸漬）が重さ以上である場合、\(F_b \ge W\)。物体は、排除される流体が自身の重さに等しくなるまで十分な体積が浸漬されるまで上昇します。
- 沈む：完全に浸漬した場合でも\(F_b < W\)である場合、正味の力は下向きで物体は下降します。
- 中立浮力：\(F_b = W\)の場合、正味の垂直力はゼロであり、物体は任意の深さで浮遊します―潜水艦またはスキューバダイバーが調整する状態です。
有用な同等のテストは物体の平均密度\(\rho_{obj}\)を流体密度\(\rho_{fluid}\)と比較します：物体は\(\rho_{obj} \le \rho_{fluid}\)で浮き、\(\rho_{obj} > \rho_{fluid}\)で沈みます。これが鋼製船体が浮くことができる理由です―その平均密度（鋼とそれに含まれた空気）は水の密度より低いからです。
浸漬時の見かけの重さ
浮かない浸漬物体の場合、浮力は支持する必要のある力を減らします。見かけの重さは真の重さから浮力を引いたものに等しい：
$$W_{見かけの重さ} = W - F_b = m g - \rho V g$$例として、空気中で50 Nの重さがあり0.002 m³の淡水を排除する固体物体（\(\rho = 998\) kg/m³）は\(F_b = 998 \times 0.002 \times 9.80665 = \) 19.57 Nの浮力を失い、その見かけの（浸漬）重さは約30.4 Nです。この見かけの重さの損失は、物体が水に沈められるときに吊り下げ秤が読む値と正確に等しく、そしてそれは古典的なアルキメデス密度測定の基礎です。
よくある質問
浮力は物体の重さによって変わりますか？いいえ。浮力は押しのけた流体（密度 × 体積 × 重力加速度）だけで決まります。浮くかどうかは、その浮力と物体の重さを比較して判断します。
物体が浮いている場合、どの体積を使えばよいですか？水面下に沈んでいる部分の体積だけを使ってください。流体を押しのけているのはその部分だけだからです。
結果はどんな単位で表示されますか？力はニュートン（N）です。入力をSI単位（kg/m³、m³、m/s²）で行った場合の単位です。
