深さ10mのプールの底で、空気を満たした風船を手放しました。風船は水面に向かって上昇していきます。水温は深さによらず一定です。
質問: 風船が水面に到達する直前、風船の体積と上昇速度はどのように変化していますか？また、なぜそうなりますか？
回答: 体積は最初の約2倍になり、上昇速度は加速し続けて最大になっています。
理由: 水深10mでの圧力は大気圧の約2倍（1気圧＋水圧1気圧）です。ボイルの法則により、圧力が半分になると気体の体積は2倍になります。風船が上昇するにつれて水圧が減少し、体積が増加します。浮力は排除した水の重さに等しく、体積増加により浮力も増加します。一方、風船内の空気の質量は変わらないため、浮力から重力を引いた正味の上向き力が増加し、上昇が加速されます。また、体積が増えても水の抵抗力の増加は浮力の増加より小さいため、加速し続けます。