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物体内部をとにかく軽い物で満たせばよいわけですから、
ヘリウムの様に高価な物ではなく、
水素のように危険な物ではない、
真空にしてしまえば、お安く出来そうな気がしますが使えますか?

また、空中に浮く機械に入れるガスに真空(若しくは、それに近い状態)を使うことは予算や強度を考えた場合どこまで実用的ですか?

見たことがないと言うことは、何らかの障害があると思うのですが、どう言った物が障害になっているのでしょうか?

A 回答 (16件中1~10件)

こんにちは。



球がいちばんよさそうですね。

表面積は、4πr^2、
体積は、4πr^3/3

容器の面密度をρ[kg/m^3]と置くと、
容器の質量は、4πr^2ρ [kg]

容器に大気を充満させたときの大気の質量は、だいたい
4/3・πr^3・10^(-6) [kg]

合計質量は、
4πr^2ρ + 4/3・πr^3・10^(-6) = 4/3・πr^2(3ρ + 10^(-6)・r)

容器内の空気の圧力をP[Pa]と置くと、容器内の空気の質量と外気の質量の差は、
4/3・πr^3・(1 - P/10^5)

浮く条件は、
4/3・πr^2(3ρ + 10^(-6)・r) < 4/3・πr^3・(1 - P/10^5)
3ρ + 10^(-6)・r < r(1 - P/10^5)
3ρ < r(1 - 10^(-6) - P/10^5)

1 ≫ 10^(-6) なので、
3ρ < r(1 - P/10^5)
ρ/r < (1 - P/10^5)/3

左辺はrに反比例します。
ですから、非常に強固な容器でなくても、球の半径rをどんどん大きくすれば、球の容器は浮きます。

面密度ρは、容器の単位面積あたり強度に比例します。
強度[Pa] > 10^5 - P
が条件です。

長々と書きましたが、要は、球の体積と球の表面積には、r^3/2 の関係があるということです。

コスト面で、どういった材料を使ったらよいかは知りませんが。
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使えるよ。


ただし、軽量で真空を維持できる素材があればね…。
まあ実際は不可能でしょうけど…。
真空に耐えて球体を保てる風船のように軽い構造物があれば可能かも知れません。
少なくとも人間が知りうる物質では内部を真空を保とうとすれば、その浮力より遥かに重いものとなってしまいます。
真空にかかる大気圧を考えればねぇ…。
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容器の外部は大気圧が存在するとします。


外部からかかっている力は1cm^2当たり1kg重です。
内側から容器を支える必要があります。
内部に気体を入れるということは容器を内側から支える構造体としての働きです。
(質問者様は浮力の面からだけ考えておられます。内側から支えて形を保つための構造体としての働きを抜かしています。)
気体を入れるのでなければ液体を入れるか固体の構造体を入れるしか仕方がありません。
容器の内面全体を支える必要があります。固体でやろうとすれば壁に強度を持たすしか方法がありません。重くなります。流体を入れれば全面を支えることができます。気体が一番軽いです。
周囲も気体ですからそれよりも軽い気体が必要です。
(これは浮かすという面から出てきます。)
水素、ヘリウム以外にはありません。

軽い素材についていろいろ書かれている方がおられますがあまり意味がありません。

あの重たい、頑丈なドラム缶でも内部の空気を抜いてしまえば潰れてしまうのです。
空気が入っていれば潰れません。
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まあ、rが十分大きいとした近似なんで許してください。

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>面密度ρは、容器の単位面積あたり強度に比例します。



材料に関しては素人ですが、球面の曲率半径が大きくなると
容器の強度が下がることは容易に推測できます。
#面が平面に近づくほど凹みやすくなる、

面密度ρを一定に保ったまま半径を増やすのは無理だと思います。
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真空というガスが存在しない以上



『物体内部をとにかく軽い物で満たせばよいわけです』という前提が成立しない。
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真空を保持するパッケージがとてつもなく重くなってしまいますね。


ムリかなと。
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 確かに、飛行船や気球の中の気体が軽いほど、小さくても浮力があり、どんな気体よりも真空のほうが軽いです。

そして真空はどうやっても、水素のように燃えたり爆発したりしません。

 しかし、真空は地上付近の1気圧では物凄い力があります。

 水を10mも吸い上げる力です。実際、昔々の実験で、ある程度の大きさの丈夫な鋼鉄製半球二つをぴったり合わせて、中を真空にしたところ、何頭もの馬が引っ張っても、外すことはできませんでした。

 たとえば吸盤は、真空まで行きませんが、そういう気圧の差の力を利用して、非常に強力な吸着力があります。

 かなり頑丈なドラム缶ですら、密閉して空気を抜いて行き、中を真空に近づけて行くと、見事なくらいぺっちゃんこに潰れます。

 真空の力で潰れないような頑丈さを持ち、飛行船や気球でヘリウム(昔は水素も)を入れて浮力を得る部分を作る素材や構造の軽さ、その二つを同時に満たすような技術が、まだないのです。

 そのため、水素のような燃えてしまうこともなく、何よりも軽い真空のほうがいいことは確かなのですが、それに近づけることしか行えません。

 一つはヘリウムのように軽い気体を使うことです。水素の次に軽くて燃えないことから、現在の飛行船ではヘリウムが使われます。

 もう一つはできるだけ気体の温度を上げてやることです。温度が高いほど、同じ容積の気体は軽くなります(分子数が減るため)。こちらは普通の空気を使う熱気球で使われています。
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他の方の回答のように真空は無理ですが、すこーしだけ真空に近づけて


うまくいっているものがあります。それは熱気球です。理由は解りますよね。

ヘリウムや水素や熱風は「同じ気圧でも軽い」というところがミソです。

真空だとそれなりに小さくてもヘリウムと同じ浮力を得ることはできますが
それでも圧力差による強化のための自重アップにはかなわないでしょう。
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自分で想像してください


小学校高学年なら想像できるはず、それを補足してください
そうすれば妥当かどうか回答します
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