中性浮力

中性浮力は、物体の平均密度が、物体が浸されている液体の密度と等しい場合に発生し、その結果、浮力が重力とバランスを取り、物体は沈む（物体の密度が浸されている液体の密度より大きい場合）か、浮く（物体の密度が小さい場合）ことになります。中性浮力を持つ物体は、沈むことも上がることもありません。^[1]

スキューバ ダイビングでは、呼吸のコントロール、正確な体重測定、浮力補正装置の管理を通じて中性浮力を維持する能力が重要なスキルです。圧縮可能な物体が液体に浸かると中性浮力は不安定な状態になるため、スキューバ ダイバーは、通常は呼吸のコントロールによって継続的に補正することで中性浮力を維持します。

数学者アルキメデスは、2000年以上も前に浮力の仕組みの多くを発見しました。研究の中で、アルキメデスは、物体が押しのけた水の重さに等しい力で物体が浮かび上がることを発見しました。言い換えれば、100ポンド（45キログラム）の水を排水するゴムボートは、同じ量の力で支えられているということです。流体に浮く物体は、正浮力があるといいます。底に沈む物体は負浮力で、流体内で同じレベルでバランスを保っている物体は中性浮力です。浮力を調整する方法が開発され、ガスが充填され人の平均密度を下げて浮いたり泳いだりするのを助けるゴム製救命胴衣や、浮力を調節するために容積調節可能な空気室を備えた特定のダイビング器具（潜水艦や潜水艇を含む）などの器具が製造されました。

浮力は多くの分野で重要です。ボート、船舶、水上飛行機は、浮いたままでいられるように設計されます。潜水艦は、必要に応じて潜水したり浮上したりできるように、浮力を制御できます。救命胴衣やポンツーンなど、浮力を考慮して開発されたものが多くあります。

浮力はほとんどの水上スポーツに不可欠です。多くの水泳選手は、仰向けに寝たり、息を大きく止めたりといった、水面に浮かぶ簡単な方法があることを知っています。水泳選手がプールの底まで潜ろうとすると浮力が顕著になりますが、これには労力がかかります。スキューバ ダイバーは水中で浮いたり、浮かんだり、沈んだりする方法を知らなければならないため、浮力に関する多くの問題に対処します。スキューバ ダイバーは、体や装備の正の浮力を打ち消すために鉛の重りを身に付けることがよくあります。

気体も流体なので、空中に浮いている物体も中性浮力になるように調整することができます。沈むことも上昇することもない熱気球は、周囲の空気の密度と比較して低い熱気の密度を利用して、バスケットとその内容物の重量をバランスさせるのに十分な浮力を生み出します。

中性浮力は、宇宙の微小重力環境での作業に備えて宇宙飛行士を訓練する際に広く利用されています。NASAとロシアの宇宙計画では、宇宙服を着た宇宙飛行士の訓練生がスキューバダイバーの助けを借りて宇宙機器の模型とやり取りする施設を維持しています。メリーランド大学の宇宙システム研究所では、同様に中性浮力タンクを使用して宇宙ロボットのプロトタイプの性能を評価しています。

静止した流体では、物体が中性浮力を持つ場合、物体を浮かせたり沈めたりする力は存在しません。加えられた力は、物体をその力の方向へ動かします。運動量がなければ、物体は静止したままになります。

魚の浮き袋は、浮き袋内のガスの量を調整することで浮力を制御し、さまざまな深さで中性浮力を実現できるようにします。魚の浮袋の容積が上昇または下降した後に変化したために、魚の全体的な密度が周囲の水より高くなったり低くなったりすると、血液循環、えら、浮き袋に隣接する腺を介したガスの吸収と排出を制御する生理学的プロセスによって、時間の経過とともにこの差を修正できます。

人間の脳は、脳脊髄液に浮遊しているため、ほぼ中性浮力を示します。人間の脳の実際の質量は約 1400 グラムですが、脳脊髄液に浮遊している脳の正味重量は 25 グラムの質量に相当します。したがって、脳はほぼ中性浮力で存在し、脳自身の重量によって密度が損なわれることなく密度を維持することができ、脳の下部にある血液供給が遮断され、ニューロンが死滅するのを防ぎます。

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