アルキメデスの発見を自宅で再現！浮力のヒミツ実験室（フィルムケース＋おもりを活用）
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
お風呂に入ったとき、体がふわっと軽くなる感覚を味わったことはありませんか。あれこそが「浮力」の仕業です。プールで人が浮くのも、巨大な鉄の塊である船が海に浮かぶのも、すべて同じ力が働いています。
では、その浮力は一体どんなルールで決まっているのでしょうか。「深く沈めるほど浮力は強くなる？」「重いものほど浮力も大きい？」――そんな素朴だけど鋭い疑問を、フィルムケースとおもりという身近な道具だけで解き明かしていく実験を行いました。特別な装置がなくても、家庭や教室で手軽に試せる実験ですので、ぜひ最後まで読んでみてください。
◆準備するもの
フィルムケース（ふた付き）、おもり（ナットなど）、水槽または透明なバケツ、ばねばかり（2N程度まで測れるもの）、紐（フィルムケースを吊るす用）
ちなみに最近フィルムケースを見ませんが、amazonなどで売られています。誰が買うのかわかりませんが、ありがたいです。
実験原理
浮力の正体を知るカギは、実はとてもシンプルな引き算にあります。まず、おもりの重さ（重力）をばねばかりで測ります。その後、そのおもりを水の中に沈めていき、水中でのばねばかりの値を読み取ります。空気中での重さと水中での重さを比べれば、その差が「水がおもりを押し上げている力」、つまり浮力の大きさというわけです。
浮力の大きさ（N）＝ 空気中の重さ（N）－ 水中の重さ（N）
実験の手順
1. 空気中での重さを測定する
ばねばかりにフィルムケース（中におもり入り）を吊るし、水に入れる前の重さ（重力）を記録します。今回は2回実験を行いました。実験1では、フィルムケースに70gのおもり2個と35gのおもり1個を入れて、合計175gで実験を行います。
実験2ではフィルムケースに70gのおもり1個と35gのおもり1個を入れて（合計105g）実験を行います。おもりは水圧測定用のものをフィルムケースに入れて使用しました。
2. 水中に沈めながら測定する
まずはおもりの半分を水につけたときの、ばねばかりの数値を読みます。
次に、おもりを全部水の中に入れてみて、そのときのばねばかりの値を調べます。
3. さらに深く沈める
水の中に完全に沈んだ状態で、さらに深い位置まで下ろしてばねばかりの数値を測ります。ここが今回の実験でいちばん注目してほしいポイントです。深海に沈めたら浮力はもっと強くなるのでしょうか、それとも変わらないのでしょうか。
4. 別の重さでも繰り返す
おもりを変えて、1から3までを同じように行います。重さの違うおもりで比べることで、「重さと浮力の関係」が見えてきます。
結果と考察
こちらがその結果です。実際にはフィルムケース自体の重さも加わるので、空気中での重さは1.8Nと1.1Nとなりました。
・浮力の大きさは物体の重さによらない
同じ体積のフィルムケースであれば、中に入れるおもりの重さを変えても、浮力の大きさはほぼ同じでした。「重ければ重いほど浮力も強くなるはず」と思いがちですが、実はそうではないのです。本当は体積を変化させる実験も行って、この違いをもっとはっきり比べてみたいところですね。
・浮力は沈めた深さには関係しない（ただし、全体が水中に入るまでは変化する）
フィルムケースの一部しか水に入っていないときは浮力も小さく、沈めていくにつれてだんだん大きくなります。しかし、完全に水中に沈んでしまうと、そこからどれだけ深く沈めても浮力の大きさは一定のままでした。
これは、深海を泳ぐ魚や、深く潜る潜水艦にとっても同じことがいえます。潜水艦が沈んだり浮いたりするのは水深による浮力の変化ではなく、船体内のタンクに水や空気を出し入れして自分自身の体積や重さを調整しているからなのです。今回の実験結果は、そうした身近な乗り物の仕組みにもつながる、奥深い発見だといえます。
この結果から、「浮力は水中にある体積に比例する」ということが実感として理解できます。重さではなく体積がポイントというのがミソです。目に見えない力を「ばねばかり」という道具を通して数値として可視化できるのも、この実験の大きな魅力です。
身近な道具でできて、しかも浮力の本質にぐっと迫れるこの実験。「なぜ物は浮くの、沈むの」という素朴な疑問を、授業や自由研究で一歩深く掘り下げたいときに、ぜひ活用してみてください。
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