質問: 沈んだ潜水艦 ずっと以前に、「潜水艦が海底に沈むと、浮上するのが海中に浮かんでいるときより難しくなる。」と、本で読みました。 この理由が、「潜水艦が海底に沈むと、下方向からの海水の圧力が無くなるので浮上しにくい」とあったように記憶しています。この理由は正しいのでしょうか?
回答: 大学で力学などの授業をしている者です。浮力というのは、子供のときから親しんでいる問題であるにもかかわらず、質点の力学からスタートする物理の立場から見ると、はるか先にあって行き着くのが大変な物理現象です。まして、底に接触する場合を考えるとなると、厳密に扱うのがかなり難しい問題になります。 -というわけで、定性的な説明だけ試みます。 さて、底に沈むということは、底面だけ、固体どうしの接触になるということです。つまり、この問題は、流体(液体、気体)-固体の接触と、固体-固体の接触の違いを問う問題と言えます。 流体が固体に圧力を及ぼすとき、固体の巨視的な変位を許して(連続的に)考えることができます。ところが、固体どうしの接触では、双方の固体がある(釣り合いの)形状をもっていて、接触によりこれから歪んだときにだけ、戻ろうとする力としての一種の圧力(普通は抗力という)が生じます。そして、この固体からの圧力は、形状が復帰する以上の逆変位を与えたとたんに消失してしまうところが流体からの圧力と違います。 ご質問の例で、潜水艦が底に着いたとき、下方向からの水圧は海底面(固体)からの力に変わります。ここで、海底面は、常に海底の水圧を受けていますから、釣り合いの形状は、海底水圧相当の力を受けた状態で実現します。ですから、自重と浮力がほとんど釣り合った潜水艦がゆっくり底に着いたとしても、潜水艦が受ける力は、水中に浮かんでいるときと変わりません。着いた瞬間、急に浮力の分だけ重くなるなどと言うことは絶対ないです。 ただし、考慮を要するべき問題もあります。一つは、固体-固体間の分子間力的な力が効く場合。これは確かに一度着いたら離れずらくなる効果をもたらすでしょう。もう一つは、潜水艦が海底から離れようとするときに、水が底に回り込むのを阻止する構造になっている場合。吸盤やピストンで海底とつながれたような場合です。この場合は、潜水艦の上昇によって、底面が受ける圧力が減ってしまいますので、確かに水圧相当の大きな力をかけないと、底から離れられませんね。