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浮体とは?1分でわかる意味、安定性と原理、復元力

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浮体(ふたい)とは、水中に浮かぶ物体のことです。浮体には上向きに作用する浮力と、浮体の重量が下向きに作用します。浮体が静止状態にあるとき浮力=浮体の重量の関係にあります。また浮心と重心は同一直線状にあるため安定しています。一方、浮体が少し傾くと浮心だけがずれるのでモーメントが生じます。これに抵抗するモーメント(復元力)が生じれば、その浮体は安定しています。


今回は浮体の意味、安定性と原理、復元力について説明します。浮心、浮力など下記も参考になります。

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浮体とは?

浮体(ふたい)とは、水中に浮かぶ物体です。下図に浮体を示します。


図 浮体


また浮体が水面で切られる面を浮揚面(ふようめん)、浮揚面から浮体の底面までの距離を喫水(きっすい)といいます。喫水の詳細は下記が参考になります。

喫水とは?1分でわかる意味、水深との違い、読み方、求め方


さらに浮体が水を押しのけている部分の体積の中心を「浮心(ふしん)」といいます。浮力は浮心に作用します。

浮心とは?1分でわかる意味、求め方と定義、重心との違い


下図をみてください。浮体には重心位置に重量が作用し、浮心に浮力が作用します。重心と浮心は同一線上にあるため、外的な要因が無い限り「傾き」などは生じません。


図 浮体と浮心、浮力


その代わり、浮体は浮体の重量と浮力の影響で水中を上下します。浮体の重量をW、浮力をBとします。物体を水中に浮かべた瞬間はW>Bの状態で、浮力が小さいので浮体は沈みます。


浮体が沈むと浮力が大きくなるためW<Bの状態となり、浮体は浮き上がるでしょう。やがてW=Bとなり浮体は静止します。※ただし常にW>Bの状態であれば水中に沈みます。また非常に軽ければ水中に沈みません。


浮力や浮心の関係は下記も参考になります。

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浮体の安定性と原理、復元力

さて、海では風や波の影響で船が揺れています。下図のように、浮体が傾くと安定性にどう影響するでしょうか。


図 浮体の安定性と原理


浮体が風を受けて右に傾きます。すると、水を押しのけている体積が歪な形になりますね。このとき浮心は右側に移動します。なぜかというと右側の方に体積が偏っているからです。※計算では断面二次モーメントなどを用いて算定します。


重心位置はそのままです。重心位置には下向きに重量が作用し、右側に移動した浮心には上向きの浮力が生じます。よって、反時計回りにモーメントが生じます。このモーメントは右に傾いた浮体を左側に押し返す力です。つまり元に戻ろうとする力で、これを「復元力(ふくげんりょく)」といいます。


図 浮体と復元力、安定


さらに、このとき浮体は「安定である」といえます。


一方、浮体が傾くとき体積の形状によっては浮心が傾いた方向に対して、反対方向に移動することもあり得ます。浮心が重心より左側にあるとき、時計回りのモーメントが生じます。これは右側に傾いた浮体を、さらに傾かせる力です。


図 浮体の不安定


この状態のとき、浮体は「不安定である」といえます。これが大まかな浮体の安定の原理です。今回、安定・不安定の計算は省略しますが、前述したように傾いた時の浮心、メタセンターと呼ばれる「傾いた浮心の鉛直線と浮体の鉛直軸の交点」が重要になります。

まとめ

今回は浮体の意味、浮体の安定性について説明しました。意味が理解頂けたと思います。浮体の安定性は浮心と重心位置の関係が大切です。浮体が傾くとき、浮心の位置はどうなるか考えてみましょう。考え方自体は難しくないはずです。計算をする前に考え方を理解しましょうね。浮力、浮心の意味など下記も参考になります。

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