水深と浮力の可視化シミュレータDepth and Buoyancy Simulator

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 水深 10 cm での水圧が 980 Pa のとき、水深 20 cm と水面（水深 0 cm）での水圧はそれぞれいくらになると思いますか。If the water pressure at a depth of 10 cm is 980 Pa, what do you think the pressure will be at a depth of 20 cm, and at the water surface (depth 0 cm)?💡 水圧は、その場所より上にある水の重さによって生じます。Water pressure is caused by the weight of the water above that point.
2. 水に浮く木片と水に沈む金属片があります。浮くか沈むかを決めているのは、物体の「重さ」でしょうか、それとも別のものでしょうか。A piece of wood floats in water and a piece of metal sinks. Is it the object's weight that decides whether it floats or sinks, or something else?💡 同じ大きさで材質の違う物体を比べると、何が違うでしょうか。When you compare objects of the same size made of different materials, what is different about them?

2動かしてみようTry it

1. 「(3) 水深の計測点 h」スライダーを 0 cm、5 cm、10 cm、20 cm、30 cm に動かし、「水圧（計測点）」の値と、計算式 p = ρgh の表示、緑の矢印の長さを記録する。Move the "(3) Measuring depth h" slider to 0 cm, 5 cm, 10 cm, 20 cm and 30 cm, and record the "Water pressure (at h)" value, the p = ρgh calculation shown, and the length of the green arrow.
2. 「(1) ブロックの密度 ρ物」スライダーを 0.30、0.80、1.00、1.50、2.00 g/cm³ に変え、そのつど数秒待って「状態」「重力 W / 浮力 F」「浸かっている部分 V浸」を記録する。Change the "(1) Block density ρblock" slider to 0.30, 0.80, 1.00, 1.50 and 2.00 g/cm³, waiting a few seconds each time, and record "State", "Weight W / Buoyancy F" and "Underwater part Vsub".
3. 密度を 0.60 g/cm³ にして、「(2) 初期の深さ」スライダーを 15 cm まで動かし（またはブロックを指でドラッグして沈め）、手を離した後の動きと浮力 F の変化を観察する。Set the density to 0.60 g/cm³ and move the "(2) Start depth" slider to 15 cm (or drag the block down with your finger), then watch how the block moves after you let go and how the buoyancy F changes.
4. 密度を 1.00 g/cm³ にして「(2) 初期の深さ」を 5 cm などいろいろな深さにし、ブロックがその場で静止するかを確かめる。Set the density to 1.00 g/cm³, set "(2) Start depth" to 5 cm and other depths, and check whether the block stays where it is.

3確かめようCheck

1. 水深 0、5、10、20、30 cm での水圧はそれぞれいくらでしたか。水深と水圧にはどんな関係がありますか。What was the water pressure at depths of 0, 5, 10, 20 and 30 cm? What is the relationship between depth and water pressure?→ 0 Pa、490 Pa、980 Pa、1960 Pa、2940 Pa。水深が2倍になると水圧も2倍になり、水圧は水深に比例する（水面では 0 Pa）。0 Pa, 490 Pa, 980 Pa, 1960 Pa and 2940 Pa. When the depth doubles, the pressure doubles: water pressure is proportional to depth (0 Pa at the surface).
2. 密度 0.30 と 0.80 g/cm³ のブロックは、全体の何 % が水に浸かって浮いていましたか。For blocks with densities of 0.30 and 0.80 g/cm³, what percentage of the block was under water while floating?→ 0.30 では 30 %（3.6/12 cm、浮力 2.26 N）、0.80 では 80 %（9.6/12 cm、浮力 6.02 N）。どちらも浮力 F と重力 W が等しくなる位置で静止し、浸かる割合は ρ物 ÷ ρ水 になっている。30% at 0.30 (3.6 of 12 cm, buoyancy 2.26 N) and 80% at 0.80 (9.6 of 12 cm, buoyancy 6.02 N). In both cases the block stops where buoyancy F equals weight W, and the fraction under water equals ρblock ÷ ρwater.
3. 密度 1.50 と 2.00 g/cm³ のとき、浮力 F は何 N でしたか。重力 W との関係はどうなっていますか。At densities of 1.50 and 2.00 g/cm³, what was the buoyancy F? How does it compare with the weight W?→ どちらも浮力は 7.53 N で、全部沈んだときの最大値のまま変わらない。重力はそれぞれ 11.29 N、15.05 N で浮力より大きいため、ブロックは底まで沈んで静止する（不足分は底が支える）。In both cases the buoyancy is 7.53 N, its maximum value when fully submerged, and does not change. The weights are 11.29 N and 15.05 N, larger than the buoyancy, so the block sinks to the bottom and rests there (the bottom supports the difference).
4. 密度 0.60 g/cm³ のブロックを深さ 15 cm に沈めて離すと、どうなりましたか。What happened when the 0.60 g/cm³ block was pushed down to 15 cm and released?→ 全部浸かっているので浮力 7.53 N が重力 4.52 N より大きく、ブロックは浮上した。水面から出始めると浸かる体積が減って浮力も小さくなり、60 % が浸かった位置（浮力 4.52 N）で静止した。Fully submerged, its buoyancy of 7.53 N was larger than its weight of 4.52 N, so it rose. Once it began to come out of the water, the underwater volume and hence the buoyancy decreased, and it came to rest with 60% under water (buoyancy 4.52 N).

4考えようThink further

1. 浮力はなぜ生じるのでしょうか。密度 1.00 のブロックを上面の深さ 5 cm に置いたとき、上面（5 cm）と下面（17 cm）での水圧を計測点 h で調べ、その差から説明しなさい（底面積 A = 64 cm² = 0.0064 m²）。Why does buoyancy arise? With the 1.00 density block placed with its top face at 5 cm, use the measuring point h to find the water pressure at the top face (5 cm) and the bottom face (17 cm), and explain using the difference (base area A = 64 cm² = 0.0064 m²).→ 上面は 490 Pa、下面は約 1666 Pa で、下面のほうが深いので水圧が大きい。差は約 1176 Pa で、これに底面積 0.0064 m² をかけると約 7.5 N となり、表示の浮力 7.53 N と一致する。上下の面にはたらく水圧の差が、上向きの力（浮力）になっている。The top face has 490 Pa and the bottom face about 1666 Pa; the bottom is deeper, so the pressure there is larger. The difference, about 1176 Pa, multiplied by the base area 0.0064 m² gives about 7.5 N, matching the displayed buoyancy of 7.53 N. The difference in water pressure between the top and bottom faces produces the upward force (buoyancy).
2. 鉄（密度 約 7.9 g/cm³）でできた船が水に浮くことができるのはなぜですか。Why can a ship made of iron (density about 7.9 g/cm³) float on water?→ 船は内部が空洞になっていて、空気を含めた船全体の平均の密度が水より小さいから。船体が水を押しのける体積が大きいので、重力と等しい浮力が得られるところまで沈んで浮く。A ship is hollow, so the average density of the whole ship, including the air inside, is less than that of water. Because the hull pushes aside a large volume of water, it sinks only until the buoyancy equals its weight, and then floats.

よくある誤解Common misconceptions

• 「重い物は沈み、軽い物は浮く」という考え。浮き沈みは重さではなく、物体の密度と水の密度（1.0 g/cm³）の大小で決まる。"Heavy things sink and light things float." Whether an object sinks or floats depends not on its weight but on whether its density is greater or less than that of water (1.0 g/cm³).
• 「深く沈めるほど浮力は大きくなる」という考え。浮力は浸かっている部分の体積で決まり、全部が水中に入ったあとは深さを変えても 7.53 N のまま変わらない。"The deeper an object goes, the greater the buoyancy." Buoyancy depends on the underwater volume; once the block is fully under water it stays at 7.53 N no matter how deep it is.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)