モード選択
$$P = P_0 + \rho g h$$
静水圧(Pa):基準圧力 $P_0$ に水深 $h$(m)での液柱圧力を加えた全圧。
$$F = \int_A P\,dA = \rho g \bar{h} A$$
平面への静水力(N):$\bar{h}$ は面の重心の水深(m)、$A$ は面積(m²)。
$$y_{cp} = \bar{y} + \frac{I_G}{A \bar{y}}$$
圧力中心の位置(m):$I_G$ は重心周りの断面二次モーメント。合力作用点は重心より深い。
流体の静圧・浮力・パスカルの原理を可視化。水深・流体密度・物体密度を操作して沈む・浮くを体験。油圧プレスの力の増幅も計算。
$$P = P_0 + \rho g h$$
静水圧(Pa):基準圧力 $P_0$ に水深 $h$(m)での液柱圧力を加えた全圧。
$$F = \int_A P\,dA = \rho g \bar{h} A$$
平面への静水力(N):$\bar{h}$ は面の重心の水深(m)、$A$ は面積(m²)。
$$y_{cp} = \bar{y} + \frac{I_G}{A \bar{y}}$$
圧力中心の位置(m):$I_G$ は重心周りの断面二次モーメント。合力作用点は重心より深い。
船舶・海洋構造物設計:船体の形状と重量配分を決める際、浮力と重心の関係が最重要です。CAEシミュレーションでは、様々な荷重状態での復原性(転覆しにくさ)を浮力計算から詳細に評価します。
潜水艦・深海探査機:潜航深度が増すと静水圧が急増するため、耐圧殻の強度設計が生命線です。限界深度を超えると、あのシミュレーターのように構造が破壊(圧壊)します。
油圧機器・ブレーキシステム:パスカルの原理を応用し、小さな操作力で大きな出力を得ます。自動車のブレーキフルードや建設機械の油圧回路の設計では、圧力伝達の効率と信頼性がシミュレーションで検証されます。
浮体式洋上風力発電:巨大な浮体構造物を係留して海上に設置します。波や風による傾きに対し、浮力中心と重心の位置関係が安定性を決定し、シミュレーションはその設計に不可欠です。
このシミュレーターを使い始める際に、特に気をつけてほしいポイントがいくつかあります。まず、「浮力は物体の材質ではなく、排除した流体の体積で決まる」という根本原理を忘れがちです。例えば、同じ1立方メートルの鉄の塊と発泡スチロールの塊では、受ける浮力の大きさは全く同じ(約9800N)です。違いは、その浮力と物体自身の重量(重力)とのバランス。鉄は浮力より重いので沈み、発泡スチロールは軽いので浮くのです。
次に、シミュレーター上で「物体密度」を変える操作は、物体の形状を変えずに重量だけを変化させていると解釈してください。実務では、重量を変えずに体積(=船の喫水線下の体積)を変えることで浮力を調整します。また、「流体密度」を極端に大きくすると、現実には存在しないような巨大な浮力が計算される点にも注意。例えば水銀(密度約13,600 kg/m³)では鉄も浮きますが、そのような高密度流体は扱いが特殊です。
最後に、このツールは「静水圧」を扱っていることを常に意識しましょう。流れが存在する場合(例えば、船が航行中やパイプ内を流体が移動中)は、動圧や粘性の影響が加わり、圧力分布は全く異なります。シンプルなツールだからこそ、その前提条件を理解することが、応用への第一歩です。
潜水艦の浮力計算:海水密度1025kg/m³、水深200mの場合、静圧は202.5kPaに達します。排水量2000m³の潜水艦では、浮力は2050万Nです。一方、船体質量が2000トンなら重力は196万N。浮力が勝るため浮上可能です。油圧ジャッキの場合、油密度860kg/m³、シリンダー直径100mm(面積0.00785m²)で、1MPa(100kgf/cm²)の圧力をかけると理論上78.5kNの推力が発生します