ずっと以前に、「潜水艦が海底に沈むと、浮上するのが海中に浮かんでいるときより難しくなる。」と、本で読みました。
この理由が、「潜水艦が海底に沈むと、下方向からの海水の圧力が無くなるので浮上しにくい」とあったように記憶しています。この理由は正しいのでしょうか?

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A 回答 (7件)

Zincerさんよりの情報、大変教訓的に感じました。

実験には予想外の驚きが伴うことがあり、こういう場合こそが面白いですよね。
-というわけで、私のNo.4の回答の最後の方に書いた、「考慮を要するべき問題」には、流体の表面張力のこと(他にもあるかも知れません)を含める必要があるようです。
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この回答へのお礼

繰り返しのご回答ありがとうございます。
問題が解決しました。

お礼日時:2002/04/12 13:01

潜水艦に対する直接的な回答ではありませんが、sai1958さんの


>「平らな水槽の底に平らな底面をした直方体の空の箱を沈める。箱の底と水槽の底に水が入り込まないように工夫する。この場合、箱は浮き上がるか?」
に関しては、以前ある教育バラエティー番組で実験していた系が当てはまると思います。その実験とは
1.水槽に立方体の鉄をいれる。
2.静かに水銀を注ぎ込む。
(問題)立方体の鉄はどうなるでしょう?

(答)実はこの場合、水銀の表面張力が大きいので、底の隙間に入り込めない為、鉄は浮きませんでした。
私も「浮くに決まっている」と思っていましたが、理論的にそうなるという説明だけでなく、実際に実験を行っていましたので(トリックは無いように思います)「そのようなことも実際に起こり得る」と言うことで。
ご参考までに...
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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
鉄の下には空気の層があって、普通であれば水銀の圧力がそのまま伝わって浮力が付きそうですが、水銀の表面張力がそれをキャンセルしている・と考えて良いのでしょうか。

お礼日時:2002/04/12 13:00

No.4の回答をした者です。



>「箱の底と水槽の底に水が入り込まないように工夫する。、、」
> (略)
> この箱は浮力は受けないと考えて良いのでしょうか?

「水が入り込まないように工夫」というところの意味を正確にしないと、決められません。箱の底と水槽間に水が残らないようにする(例えばロウなどを塗る)という意味なら、水中にあるときと同じことで、速やかに浮かび上がります。一方、箱が現実に上昇しても水が底に入らないような工夫、例えば、ピストンを水槽底に固定し、それにはまったシリンダを箱の底に固定すること、をすれば、浮かび上がれません。

一般論的な説明を少し補足いたします。
「浮力」というのは、流体で囲まれた物体について適用される概念ですから、底が固体間接触となった段階で、馴染まない言葉になってしまいます。しかし、それは「浮力」の定義に関わる問題で、箱の力学的状況自体は、底が水槽に接触してもほとんど変わらないのです。箱も、水槽の底をつくる物体も、深度に応じた水圧による圧縮応力を受けている-この認識が本質的です。同じ応力状態の物体どうしが接触しても(一体と見なせるようになるだけで)何も起こりません。
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この回答へのお礼

再度のご回答ありがとうございます。

お礼日時:2002/04/12 12:57

大学で力学などの授業をしている者です。

浮力というのは、子供のときから親しんでいる問題であるにもかかわらず、質点の力学からスタートする物理の立場から見ると、はるか先にあって行き着くのが大変な物理現象です。まして、底に接触する場合を考えるとなると、厳密に扱うのがかなり難しい問題になります。
-というわけで、定性的な説明だけ試みます。

さて、底に沈むということは、底面だけ、固体どうしの接触になるということです。つまり、この問題は、流体(液体、気体)-固体の接触と、固体-固体の接触の違いを問う問題と言えます。

流体が固体に圧力を及ぼすとき、固体の巨視的な変位を許して(連続的に)考えることができます。ところが、固体どうしの接触では、双方の固体がある(釣り合いの)形状をもっていて、接触によりこれから歪んだときにだけ、戻ろうとする力としての一種の圧力(普通は抗力という)が生じます。そして、この固体からの圧力は、形状が復帰する以上の逆変位を与えたとたんに消失してしまうところが流体からの圧力と違います。

ご質問の例で、潜水艦が底に着いたとき、下方向からの水圧は海底面(固体)からの力に変わります。ここで、海底面は、常に海底の水圧を受けていますから、釣り合いの形状は、海底水圧相当の力を受けた状態で実現します。ですから、自重と浮力がほとんど釣り合った潜水艦がゆっくり底に着いたとしても、潜水艦が受ける力は、水中に浮かんでいるときと変わりません。着いた瞬間、急に浮力の分だけ重くなるなどと言うことは絶対ないです。

ただし、考慮を要するべき問題もあります。一つは、固体-固体間の分子間力的な力が効く場合。これは確かに一度着いたら離れずらくなる効果をもたらすでしょう。もう一つは、潜水艦が海底から離れようとするときに、水が底に回り込むのを阻止する構造になっている場合。吸盤やピストンで海底とつながれたような場合です。この場合は、潜水艦の上昇によって、底面が受ける圧力が減ってしまいますので、確かに水圧相当の大きな力をかけないと、底から離れられませんね。
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。
元々の問題は潜水艦なのですが、これをモデル化して、例えば「平らな水槽の底に平らな底面をした直方体の空の箱を沈める。箱の底と水槽の底に水が入り込まないように工夫する。この場合、箱は浮き上がるか?」とした場合は、どうなのでしょうか?
この箱は浮力は受けないと考えて良いのでしょうか?

お礼日時:2002/04/09 19:01

どうも。



「理科教育メーリングリスト」を初めて少し覗いたのですが、
この問題についてはツリーがたくさんありそうで、
丁寧に読むのはすぐに諦めました。

でも、ご質問の理由が正しいとすれば、すこし困りますね。

例えば、地面に、20cm×30cmの本が落ちていたとします。
大気圧はおよそ1平方cmあたり1kg重ですから、
この本にはおよそ600kgの重さが加わることになり、
大の男でも持ち上げられないでしょう。

世界は、紙とか本とか平べったいもので少しずつ埋め尽くされていくことに
なります。困りましたね。

(吸盤みたいなものはまさにそうですけどね。)

では。
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。
例えば地面に落ちていた本は、地面と隙間があると思います。ここに空気が入り込んでいて、下方向からも空気圧を受ける。これは上方向からの空気圧よりわずかですが大きいと思います。このため空気圧は実質的に無視できて本は簡単に持ち上げられる・と言う解釈は間違っているでしょうか?。

お礼日時:2002/04/09 19:00

この問題は,「理科教育メーリングリスト」というところで99年10月から11月にかけて大論争になったテーマです。


参考URLのページから,99年10月・11月を選んでみてください。大議論が展開されています。
最初の記事は,[rika:14085] 質問(潜水艦、浮上不可能?) です。

参考URL:http://rika.org/
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この回答へのお礼

私の疑問の核心を答えてくれるURLを教えていただきありがとうございました。あまりに量が多いのでまだ全部読み終わっていませんが、概略がつかめてきました。
MLの中で、「パラフィンが浮き上がらない実験」を見ると、「潜水艦の底面が完全に海底に密着して間に海水が入り込まない状況であれば、浮力は無くなる」と考えて良いのでしょうか?

お礼日時:2002/04/09 18:58

そりゃちがうと思いますけど。

それなら、たとえば海底で気泡が発生しても浮き上がることがない、ってなことになってしまいますからねぇ。

とはいえ、あまり圧力が高くなると空気も圧縮されてしまうので、同じ分子量の空気が占めることができる体積ってのは必然的に少なくなります。ですから、深度が深くなればなるほど、潜水艦の見かけの密度が上がってしまい、当然浮力も得にくくなる、ということでしょう。
ちなみに、浮力の大きさってのは、水中で占めるその物体の質量と、その物体と同一容積の水の質量の差に比例します。

たとえばカップめんに使う発泡スチロールの容器がありますね。あれが水に浮くのが当たり前と思ったら大間違い、ある程度以上の深い海にもって行くと、水圧で押しつぶされてしまい、気泡が中に含まれていても海の底に沈んでしまうのです。

ですから、浮力を圧縮空気のみに頼る潜水艦では深度が何百メートルかが限度だったと思います。何千メートルも潜るような深海潜水艇では、浮力材として圧縮されても容積のほとんど変わらないガソリンや、中に気泡の入ったガラスビーズなどを使っているのだそうです。
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この回答へのお礼

早速のご回答ありがとうございます。
お礼が遅くなり申し訳ございませんでした。
No2の方のMLをダウン&読むのに時間がかかってしまいました。
しかも、まだ読み終わっていない状態です。
この問題は、潜水艦と海底がピッタリと理想的な状態で接したとき、海水からの浮力は受けるか?という教育的観点から見たものから、海底の状態や潜水艦の構造などまで考慮して、技術的なことまで考えた場合などで答えが若干違ってくるような気がしてます。
問題として面白いのは、「もし海底と潜水艦の底がピッタリと海水が入らないような状態で接したとき、海水からの浮力は得られるか?」と言う場合でしょうか?
最もこの時でも、海底からの粘着力(?)のようなものまで、関係してきそうですので良く解りませんでした。
ちなみにこの問題を考えていて、「7000~8000mの深海では、空気の泡も水圧で圧縮されて、密度が高くなり、沈む」かな?とも気づきました。(素人の荒っぽい計算ですので細かい数字はご容赦下さい。)この点、もし間違いなどありましたら、ご教授下さい。
また、海底にできた気泡に関しては、仮に最初は半月のドーム型だとしても、水の表面張力などにより形が変形して球状に近くなるため、泡の下側に水が入り込んで浮力が発生するのではないでしょうか?

お礼日時:2002/04/09 18:56

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お伺いします。
浮力が働くっていうのは知ってはいますが、そもそもどうして流体には浮力が働くのでしょうかー?空気にも微々たる浮力はあるのでしょうかー?

Aベストアンサー

こんにちは。


>>>そもそもどうして流体には浮力が働くのでしょうかー?

流体中にある物体にかかる圧力の様子は、こんな感じです。

    ↓↓↓
→→┌───┐←←
→→│     │←←
→→└───┘←←
    ↑↑↑
    ↑↑↑
    ↑↑↑

ですから、全ての矢印の合力は、
下のようになります。

  ┌───┐
  │     │
  └───┘
    ↑↑↑
    ↑↑↑

この合力こそが浮力です。

こちらのサイトに同様の図示と説明があるので、ご覧ください。
http://www.max.hi-ho.ne.jp/lylle/vector3.html

なお、
潜水艦が海底に密着してしまうと、下からの圧力がないので、

    ↓↓↓
→→┌───┐←←
→→│     │←←
→→└───┘←←

となり、合力は、

    ↓↓↓
  ┌───┐
  │     │
  └───┘

となります。
こうなってしまうと、潜水艦は身動きがとれなくなる場合があります。
(こういうのもありますが→ http://oshiete1.goo.ne.jp/qa248716.html)

>>>空気にも微々たる浮力はあるのでしょうかー?

あります。
ですから、ヘリウムを入れた風船は大気中で上昇します。
また、
もしも真空中で体重計に乗れば、大気中で乗ったときに示した目盛りの数値よりも、若干大きい数値になります。

こんにちは。


>>>そもそもどうして流体には浮力が働くのでしょうかー?

流体中にある物体にかかる圧力の様子は、こんな感じです。

    ↓↓↓
→→┌───┐←←
→→│     │←←
→→└───┘←←
    ↑↑↑
    ↑↑↑
    ↑↑↑

ですから、全ての矢印の合力は、
下のようになります。

  ┌───┐
  │     │
  └───┘
    ↑↑↑
    ↑↑↑

この合力こそが浮力です。

こちらのサイトに同様の図示と説明があるので、ご覧ください。
http://www.max.hi-ho.ne.jp/lylle/ve...続きを読む

Q潜水艦と潜水艇

潜水艦や、潜水艇が、潜水したり浮上したりってどんな仕組みで可能にしているんですか?詳しい方、教えてください

Aベストアンサー

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だとすると、このボールの重さが50g重だったとすると
浮力も50g重 ということでしょうか。
物体が水から受ける浮力は、物体が押しのけた水の重さ
なのに、これでは、ボールは水を押しのけてないですよねぇ。

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という場合はどうなるでしょうか。

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ここでも重力と浮力がつりあっているのでしょうか。
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けど、浮力が25g重しかないと、鉛直方向の力がつりあわない・・・
上から大気圧が25g重 かかる と考えればいいのでしょうか・・・


どなたか、
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教えてください。

水面にボールが完全に浮いている。
このとき、重力と浮力(垂直抗力?)はつりあっているのでしょうか?
だとすると、このボールの重さが50g重だったとすると
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物体が水から受ける浮力は、物体が押しのけた水の重さ
なのに、これでは、ボールは水を押しのけてないですよねぇ。

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物体による”密度”の違いを見落とされておられます。

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密度が大きいものほど重く、逆に密度が小さいほど軽い物質と言えます。

さて、浮力を考えるときに基本となるのが「アルキメデスの原理」
ですね。その内容は、ご質問文の中にある通り、「物体が水から受ける
浮力は、その物体が押しのけた水の重さ」になるというものです。

ここで、質問者様が誤解なされておられる点があります。
それは、ボールの密度と水の密度が等しいと考えられておられる
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水よりも密度が小さい場合に限り、水に浮くのです。
「押しのけた水の重さ」≠「ボールの水に沈んだ部分の重さ」
であり、
「押しのけた水の重さ」=「ボール全体の重さ」
であります。
ボールは水よりも密度が小さいので、ボール全体の重さをまかなうために
必要な水の量は、ボール全体の体積よりも小さくて済むのです。

ご質問にあるような、ボールが(ほぼ)完全に水面に浮いている場合と半分だけ水没している場合も、それぞれボールの密度(軽さ)が違うために生じる現象がことなる訳であります。
例えば、ビーチボールとバスケットボールをそれぞれ水に浮かべた場合を
想像してみましょう。おそらくビーチボールはほぼ完全に水面に浮き、
バスケットボールは幾分、水中に沈んだ状態で浮くでしょう。
同じ浮くのでも、”軽さ”がことなるとその浮き方も違ってくるという
ことです。

つまりは、”軽さ”が違うために、それに釣り合うために押しのける
水の量がことなる、すなわち水に沈む部分の体積がことなるということ
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物体による”密度”の違いを見落とされておられます。

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密度が大きいものほど重く、逆に密度が小さいほど軽い物質と言えます。

さて、浮力を考えるときに基本となるのが「アルキメデスの原理」
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浮力は、その物体が押しのけた水の重さ」になるというものです。

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Q50mの海底にある7Kgのアンカーを浮上させます。ドライアイス気化させパラシュートに受けます。必要とするドライアイスの体積は?

これから実験をしてみようと思っていますが水圧と浮力の関係が分りませんので宜しくお願いします。

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必要とするドライアイスの体積はどれくらいになるでしょうか?

1.アンカーはコンクリート製です(外径25cm高さ7Kgに相当)
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3.ドライアイスの膨張率は大気圧(1気圧)で750倍です。

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No.4で回答したものです。
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これ、実は私もちらっと考えてました(^^;

目安の計算法ですが、理想気体は気体の種類を問わず、標準状態(0℃1気圧)で1molの体積が22.4リットルです。
一方、1molの重さ[グラム]≒その気体の分子量なので、二酸化炭素の分子量=44から、1mol=44グラムです。
よって二酸化炭素は、22.4リットル(@0℃1気圧)で44グラムの重さがあります。
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Q浮力について 人が浮くには

現在、消防の資機材について研究しているのですが、浮力について勉強している際、息詰まってしまいました。

現在の課題は、水難救助用の、水上で人を乗せる、フローティング担架の浮力についてです。

資料には、重量14.8kg、浮力10.8kg(成人男性をのせても水没しない)とあります。

運輸省の救命胴衣の基準というのには、大人用で浮力7,5kg以上のものを使用する、とあり、

ある救命胴衣の販売業者によれば、浮力の10倍程度までは浮く、とあります。

ということは、このフローティング担架の浮力10.8kgからすると、約108kgの人までは浮くことなのか。



浮力10.8kg。

人の重さは水中で1/10になると聞きました。そこで100kgのひとの水中での重さは約10kg。

浮力10.8kgよりも軽いので浮く??という素人の考えになるのですが、果たしてそれであっているのでしょうか?



勉強していくうちに、間違っているような気がしました。

人間の体重が100kgとするなら、水中では10kg。浮力は90kg。これでは担架よりも浮力がありますよね・・・。



比重は担架は1.37・・・水より重い・・・。どういうことなのか・・。

担架は面積が広いので比重と関係なく浮くのか・・。



浮力10.8kg=成人男性をのせても水没しない

の説明をするのに結果がでません。

よろしくお願いいたします。

現在、消防の資機材について研究しているのですが、浮力について勉強している際、息詰まってしまいました。

現在の課題は、水難救助用の、水上で人を乗せる、フローティング担架の浮力についてです。

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運輸省の救命胴衣の基準というのには、大人用で浮力7,5kg以上のものを使用する、とあり、

ある救命胴衣の販売業者によれば、浮力の10倍程度までは浮く、とあります。

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Aベストアンサー

水難救助関連の者ではありませんので、自信はありませんが・・・。

>人の重さは水中で1/10になると聞きました。
>フローティング担架の浮力10.8kgからすると、約108kgの人までは浮くことなのか。

ちがいます。
水中での人の重さは、陸上での体重のおよそ1/10程度として救命胴衣等を設計する基準とするということだと思います。 逆に言うと、浮力10.8kgのフローティング担架では、約108kgの人までは浮く(体が完全に水上に出るということではない)・・・沈まないということです。
現物を見ないと、何ともいえませんが、息が出来る状態まで浮上させることが出来ると解釈すべきだと思います。
浮力10.8kgの表示のあるものは、人であろうが石であろうが10.8kgを超える重量のものを載せると沈みます。

>浮力10.8kgよりも軽いので浮く??

その通りです。
人の場合は、比重が1.1くらい(筋肉質の人はもう少し大きい)なので、水中では陸上での体重のおよそ1/10程度になるということです。
その重量より浮力の方が勝っているので、わずかに(体の一部、0.8kg分が)浮きます・・・全部は沈みません。

>人間の体重が100kgとするなら、水中では10kg。浮力は90kg。これでは担架よりも浮力がありますよね・・・。

その通り。
体の浮力は90kg+担架の浮力10.8kg=100.8kg
体重は100kg。差し引き0.8kg分水上に出ます。氷山の一部が水上に顔を出す現象と同じように。
人間だからわずかでも浮きますが、100kgの石とか鉄とかであれば浮力が人間の数分の1しかないため、完全に沈みます。

>比重は担架は1.37・・・水より重い・・・。どういうことなのか・

担架の比重が1.37というのは、どこから出た数値ですか。
ネットでみた一部のフローティング担架は、担架の人を載せた部分には浮力がなく、担架のパイプ部に「浮き」が取り付けられていました。浮きを取り除いた比重が1.37?、それとも人を載せるシートの部分の比重が1.37?
トータルでの比重が1を超えるとフローティングとはいえません。

>浮力10.8kg=成人男性をのせても水没しない

仮に80kgの人を浮力10.8kgのフローティング担架に載せた場合、差し引き2.8kgとなります。人の頭の重さは成人の平均で4kgから5kgといわれていますので、頭の約半分が水面から出ます。担架ですので水平に近い状態になりますので、耳が全部隠れるくらい沈んだ格好になり、何と顔が出ている感じになります。

水難救助関連の者ではありませんので、自信はありませんが・・・。

>人の重さは水中で1/10になると聞きました。
>フローティング担架の浮力10.8kgからすると、約108kgの人までは浮くことなのか。

ちがいます。
水中での人の重さは、陸上での体重のおよそ1/10程度として救命胴衣等を設計する基準とするということだと思います。 逆に言うと、浮力10.8kgのフローティング担架では、約108kgの人までは浮く(体が完全に水上に出るということではない)・・・沈まないということ...続きを読む

Q潜水艦の仕組みについて…

潜水艦の仕組みについて書かれている本を教えてください。お願いします。

Aベストアンサー

潜水艦入門―海底の王者徹底研究 (光人社NF文庫) [文庫] 木俣 滋郎 (著)

http://www.amazon.co.jp/%E6%BD%9C%E6%B0%B4%E8%89%A6%E5%85%A5%E9%96%80%E2%80%95%E6%B5%B7%E5%BA%95%E3%81%AE%E7%8E%8B%E8%80%85%E5%BE%B9%E5%BA%95%E7%A0%94%E7%A9%B6-%E5%85%89%E4%BA%BA%E7%A4%BENF%E6%96%87%E5%BA%AB-%E6%9C%A8%E4%BF%A3-%E6%BB%8B%E9%83%8E/dp/4769821999/ref=sr_1_1?s=books&ie=UTF8&qid=1358127376&sr=1-1

Q浮力について

浮力のことの具体例ですが、空気中にいる人の体重が50KGであったとして水中で体重をはかると37KGに減ったとして、その差分が浮力となり、
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Aベストアンサー

文字の意味を指定してくれないとなんだかわかりませんが、小文字のwは大文字と同じ意味、小文字のdは空気の密度と考えていいのでしょうか。

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水の密度を1kg/lとすれば、13kgは13リットルですから人の体積は13リットルですね。13リットルの空気の重さは空気の平均分子量が29位なので、標準状態だとすると29×13÷22.4=16.8gです。体重50kgにたいして0.0168kgですから無視しても大差ないですよね。

Q潜水艦のしくみ

 潜水艦が海に潜る時は、内部のタンクに水を入れて重りとして、海面に浮上する時は今度はタンクに空気を入れて水をタンク内から排出。
 では、この空気は何処から得ているのですか?
 また、中の乗員の酸素は潜ったままで、どれくらい持つのでしょうか?
 海水中の酸素などを取り出して使う装置とかって、存在するのでしょうか?

Aベストアンサー

浮力は、空気の重さでなく体積で主に決まります。

そのため、同じ量の空気でも圧縮して半分に縮めてしまうと浮力は半分になります。

このようになっているために、極限まで圧縮された空気は浮く力を持たず、タンクなどに入って体積が増えることで潜水艦を浮上させます。

Qライフジャケットの浮力について

ライフジャケットには、「浮力7.5kg/24時間以上」などの浮力が書かれていますが、24時間を過ぎた場合はどうなるのでしょうか?

24時間以上は浮力が急になくなり、全くライフジャケットの役目を果たさないなどあるのでしょうか?

気になったので教えてください。

Aベストアンサー

ライフベストと言う物は
発砲素材の物でも水を含みだして浮力が時間と共に落ちてきます。
特に船舶に装備されている検査品?のオレンジのジャケットは
薄い発砲素材を重ねてつめてありますので浮力を失いやすいようですし
発砲素材自体がフルーツ等の化粧箱に敷かれている物と同品です。
全く安心できません。

只、本来気にする部分は
24時間も水に浸かっていられるかという事だと思います。
私には無理ですので船で水上に出るときは自己膨張いかだを使っています。

Q潜水艦の浮沈の仕組み

潜水艦が沈んだり浮かんだり出来る仕組みが分かりません。一応、インターネットとかでも調べてみたんですが、理解出来なかった。すみません、物理は赤点スレスレ低飛行職人でした。

小学三年生にも分かる説明、みたいな感じでお教え下さい。どうか宜しくお願い致します。

Aベストアンサー

潜行する時には、艦内の水タンクに周りの水を入れて、艦を重くして潜っていきます。
浮上するときには、その水タンク内に空気を送り込んで水を排出して、艦を軽くして浮かんでいきます。
水タンクに入れる空気は、予め圧縮してボンベに詰めてから潜っています。
従って何度も排水を繰り返して、ボンベの空気が~になる様な事が有れば、浮かんでこれなくなってします。


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