How Submarines Sink and Float

ザハラは、サンフランシスコ湾を巨大なコンテナ船が滑るように進むのを眺めていました。この巨大な船を浮かべているのは、浮力の現象です。しかし、どうしてでしょうか？こんなに重いものが水に浮くなんて、不可能に思えます。実際、コンテナ船の中には、エンパイアステートビルディングの高さよりも長いものもあるのです！ 事実：コンテナ船の浮力は、船体の形状と、それが押しのける水の量によって決まります。この原理により、エンパイアステートビルディングよりも長い船が、何十万トンもの重さがあるにもかかわらず、浮くことができるのです！

ヌーバレーの自宅に戻ると、ザラはおもちゃの潜水艦と一緒にお風呂に入っていたが、潜水艦が底に沈んでしまった。彼女は、巨大な船が浮くのに、自分のおもちゃは浮かないのはなぜだろうと思った。ソファで本を読んでいた父親に、「パパ、どうして大きな船は浮くのに、私の潜水艦は沈むの？」と困惑して尋ねた。 「それは素晴らしい質問だね、ザラ！」と父親は答えた。「それはすべて浮力と呼ばれるものに関係しているんだ。調べてみよう。」 事実：豆知識：光が太陽から地球に到達するのに8分20秒かかる。お風呂の湯が冷めるのに永遠に時間がかかるように感じるのは、そのためかもしれない！

ザーラのパパはノートを取り出し、「昔、アルキメデスが何を解き明かしたか見てみよう」と言いました。彼はアルキメデスのページを開き、「『エウレカ！』これはアルキメデスが浮力の原理を発見したときに叫んだ有名な言葉だね。これは船のような浮く物体に対する私たちの理解を永遠に変えたんだ」と言いました。 「アルキメデスはギリシャの数学者、物理学者、技術者、発明家、そして天文学者だったんだ」とザーラのパパは説明しました。「彼は二千年以上も前に生きていたんだよ。彼の原理は、物体がどのように浮いたり沈んだりするかを説明しているんだ」 事実：古代ギリシャで定式化されたアルキメデスの原理は、今日でも海軍建築の基礎となっています。

ザーラのパパは説明し始めた。「潜水艦が秤に乗っているんだけど、水中にいると想像してみて。次に、同じ体積の水がその秤に乗っているんだけど、水中にいないと想像してみて。その体積の水の重さが、潜水艦を押し上げる浮力なんだ！」彼はノートに描かれた図を彼女に見せた。 「鍵は排水量なんだ」と彼は言った。「物体は、浮力、つまりそれが押しのける水の重さが、それ自身の重さよりも大きければ浮くんだ。そしてそれは、全体の密度が水よりも小さいということなんだ！」ザーラは理解し始めた。 事実：密度は単位体積あたりの質量である。物体が水よりも密度が低ければ浮き、そうでなければ沈む。船は質量に対する体積を最大化するように設計されている。

ザハラは、お父さんから潜水艦が浮力を変える仕組みを教えてもらいました。「潜水艦にはバラストタンクがあるんだ」とお父さんは説明しました。「バラストタンクに空気を満たすと、潜水艦が押しのける水の量が減って軽くなり、浮上できる。水を満たすと、押しのける水の量が増えて潜水艦は沈むんだ。」 お父さんは、バラストタンクに水と空気が満たされている潜水艦の図を描きました。「ほら、浮力を表す矢印がどう変わるか分かるかい？」とお父さんは尋ねました。 事実：潜水艦は、バラストタンク内の水と空気の量を調整することで深度を制御し、実質的に全体の密度を変化させています。

ザハラの父親は、彼女をエベレット中学校に連れて行き、理科のハリス先生が模型の潜水艦を見せてくれました。ハリス先生がバラストタンクに空気を送り込むと、模型は水槽の表面に浮上しました。それから、水を入れさせると、潜水艦は沈みました。 「これが潜水艦が海の深さを探検する方法です」とハリス先生は説明しました。「潜水艦は密度を変えて潜ったり浮上したりするんですよ！」 事実：バラストタンクは、一七世紀にコーネリアス・ドレベルによって最初の真の潜水艦が発明される上で不可欠でしたが、彼の設計は現代の潜水艦とはかなり異なっていました。

ザハラは、本物の潜水艦、深海調査船が、海の最も深い場所であるマリアナ海溝を探検しているところを想像しました。潜水艦が暗い水中を静かに航行し、その光が奇妙で素晴らしい生物たちを照らしているのが見えました。 「浮力と密度を理解していなければ、こんな素晴らしい場所を探検することはできなかったでしょう！」と彼女は思いました。 事実：マリアナ海溝は非常に深く、エベレスト山をその中に沈めても、その頂上にはまだ一マイル以上の水があるほどです。

家に帰ると、ザハラは浮力の他の例を観察しました。熱気球が空に昇っていくのを見たり、ボートが湾に浮かんでいるのを見たり、さらには自分自身がプールに浮いているのを見たりしました。 「浮力はどこにでもあるんだね！」熱気球が漂っていくのを見ながら、彼女はお母さんに叫びました。 事実：熱気球が浮くのは、温められた空気が冷たい空気よりも密度が低いためです。この密度の違いが浮力を生み出し、気球を持ち上げます。

彼女の父親は、四十代の穏やかで思慮深く、親しみやすい男性だった。眼鏡をかけ、きちんと手入れされた短い顎ひげを生やし、こめかみに少し白髪が混じった短い黒髪で、着心地の良いセーター、カジュアルなズボン、ローファーを身につけていた。彼は娘に氷山の写真を見せた。「氷山のように巨大なものでも、氷は水よりも密度が低いから浮くんだよ」と彼は説明した。「でも、氷山の約一割しか水面から見えないんだ。」 ザハラは驚いた。「じゃあ、氷山のほとんどは水中に隠れているの？」 事実：氷山が浮くのは、水素結合による独特の性質で、氷が液体の水よりも密度が低いためである。これにより、氷点下の環境でも海洋生物が繁栄することができる。

ザハラは、自分の潜水艦のおもちゃが沈むのに、巨大な船が浮く理由を理解し、微笑んだ。浮力の原理を理解することで、私たちは素晴らしい機械を設計し、海の深部を探検し、さらには氷山が浮く理由さえも理解できるのだ。 「科学は、一番小さなおもちゃから一番大きな船まで、私たちの周りの世界を理解するのに役立つんだ！」と彼女は気づいた。 事実：浮力を理解することで、船、潜水艦、熱気球を設計し、氷山の挙動を予測することさえ可能になり、私たちの世界をより安全かつ効率的に航海し、探検するのに役立っている。