直感的理解

浮力は水がガラス球を上に押す力です。作用反作用の法則により、ガラス球は水を同じ大きさで下に押し返します。この反作用がビーカーを通じて台はかりに伝わり、台はかりの示す値が増えます。

浮力はガラス球にはたらく上向きの力です。

作用反作用の法則より、その反作用は水に下向きにはたらきます。

答え：
浮力の反作用は水（液体）に下向きにはたらく

Point

浮力の反作用は液体に下向きにはたらく。これにより台はかりの示す値が増える。

直感的理解

ガラス球は水中で静止しているので、上向きの力（張力 + 浮力）と下向きの力（重力）がつりあっています。ばねばかりが示す値は「重力から浮力を引いた見かけの重さ」なので、浮力 = 重力 - ばねばかりの読みです。

ガラス球のつりあい：

ここで $mg = 0.400 \times 9.8 = 3.92\,\text{N}$、$T = 1.96\,\text{N}$。

答え：
$$F_b = 1.96\,\text{N}$$

Point

水中で静止 → 力のつりあい → $F_b = mg - T$。ばねばかりの読みが減った分が浮力。

直感的理解

ガラス球が水から浮力を受けるとき、反作用として水はガラス球から下向きの力を受けます。この力はビーカーを通じて台はかりに伝わるため、台はかりの値は元の値に浮力の大きさを足した値になります。

台はかりが受ける力：

ビーカー+水の重さ $6.86\,\text{N}$ に加え、浮力の反作用 $1.96\,\text{N}$（ガラス球が水を下に押す力）が加わります。

答え：
$$\text{台はかりの値} = 8.82\,\text{N}$$

補足：力のつりあいと運動方程式の違い

力のつりあい（$a = 0$）は運動方程式 $F = ma$ の特殊な場合です。加速度が0でないとき、合力は $F_{\text{net}} = ma$ で質量と加速度の積になります。

数値計算：質量 $m = 2.0$ kg、加速度 $a = 3.0$ m/s² のとき：

$$F = ma = 2.0 \times 3.0 = 6.0 \text{ N}$$ $$W = mg = 2.0 \times 9.8 = 19.6 \text{ N}$$

Point

浮力の反作用により台はかりの値が増加する。増加分は浮力の大きさに等しい。

問題55 浮力