浮力について

　直接ご質問とは関係ないですが....

　浮沈子（ふちんし）というおもちゃがあるのを、ご存じでしょうか。
大きなガラスの試験管に８分目ほど水を入れ、柔らかいゴムのキャップでふたをしてあります。その水の中に、ずっと小さい試験管が、口を下にして入っています。この小さい試験管の底（つまり上の方）には少し空気が入っていて、試験管の重量より浮力がわずかに勝るようになっています。従って、小さい試験管は水面にほんのちょっと顔を出して浮かんでいます。
　ゴムのキャップを指で押すと、小さい試験管がすーっと沈んでいく。指を離すとまた浮かんできます。
　キャップを押すと、大きな試験管の上の方に入っている空気の圧力が大きくなる。すると、水圧が高くなり、小さい試験管の中の空気が収縮して、その分水が流れ込みます。つまり（空気＋小さい試験管）の体積が小さくなるので、浮力が減り、沈んでしまう訳です。
　短く切ったストローの一端を炙って封じ、反対側の端近くにおもりとしてビニールテープでも巻いて、PETボトルの中に入れても作れそうですね。キャップを押す代わりにボトル自体をぎゅっと握れば良いんです。

水の中を宇宙空間と考えて見れば判りやすいかもしれません。

基本的には同じことです。
深さがあるということは、質量をもった物体がそこにあるということです。
二つの質量をもった物体が存在すれば、その距離にしたがって引力が発生しますから、水中で静止しようとすると力が必要になります。
ちょうど地球から離れようとするロケットの推進力のようなものですね。
推進力と引力がつりあえば、回転して距離を保ち衛星となることができますが、これと同じように水のそこからの距離を保とうとすれば、力が必要です。
ですから微妙な世界のことですが、何も力を加えないならばつりあっていると見られるものは沈むと考えられます。
沈むとはすなわち、二つの物体が引き合った結果だと言えるわけです。
質問の意味はもしかしたらもっと深いところを求めているのかも判りませんが、このあたりが理解していただけるところではないでしょうか.

Stomachmanです。

#4の「お礼」のコメントに対する回答です。
> 水中で止まっているということは、そこで釣り合っているということだから
> もし物体の位置を変えたらまた元の位置に戻ろうとすると考えてよいのでしょうか？

３つの場合が考えられます。
(場合1) 机の上にビー玉を置いたと思ってください。机が本当に平らなら、ビー玉はどこに置いてもよく、そこで静止する筈です。しかし少しでもつつくと、ころがって行ってしまいます。
　もし、水中でどんな深さでも浮力が同じになるようにしたら、この状態と同じです。水中に入れたときに少しでも速度があると動いていってしまいます。この条件では水槽の中で物を静止させるのは難しいですね。具体的には：
・水の密度が深さによらず、物体が収縮しない、という場合
・物体が実は潜水艦で、浮力が一定になるようにいつも調節している、という場合

(場合2) すり鉢（なんて、今時無いか）の中にビー玉を置いたと思ってください。すり鉢の底以外の場所にビー玉を置いても、底に転がっていってしまいます。底に静止しているビー玉をつついても、また底に戻ってきます。つまり置ける場所が決まっているんです。
　もし、水中で浅いところに来るほど浮力が小さく、深いところでは浮力が大きくなるようにしたら、この状態と同じです。これなら、物体に重りを付けて調節したりして、水槽の中で静止させるのは簡単です。黙っていても、一定の深さにとどまり、つついても元の深さに戻ってきます。具体的には：
・水の密度が、深いほど大きい、という場合
・物体が実は潜水艦で、深度が一定になるようにいつも調節している、という場合

(場合3) 肉まんのてっぺんにビー玉を置いたと思ってください。置くこと自体が不安定で、ちょっとでもつつけば転がってしまいます。（何で肉まん？）
　もし、水中で浅いところに来るほど浮力が大きく、深いところでは浮力が小さくなるようにしたら、この状態と同じです。どんなに重りを調節しても、浮くか沈むか、どっちかになってしまいます。具体的には：
・深いところでは水圧で物体が収縮して、浮力が小さくなる、という場合
　柔らかくて中に空気など圧縮されやすいものが入った物体を使うと、特にこの場合にあてはまります。

>どうして浮力＝押しのけた液体の体積の重さ

補足します。
前出の立方体モデルで１辺を10cmとします。
で、それを上面が水面から100cmの深さに沈めます。

すると上面における水圧は100g重/cm^2です。
上面に加わる力は面積が100cm^2なので100×100＝10,000g重になります。

同様に下面における水圧は110g重/cm^2です。
下面に加わる力は110×100＝11,000g重になります。

（上面までの水の重さ＝10,000、下面までの水の重さ＝11,000と考えてもいいです）

両者の差をとると1,000g重（浮力）です。
立方体の体積は10^3＝1,000cm^3で、押しのけた水の重さは1,000g　両者が一致します。

１辺＝xcm、水深＝ycmとして計算しなおすと、浮力＝x^3になるので確認してみてください。

>浮力って水圧の差から生じているものなのですか？

立方体（直方体）の場合は、このように単純ですけど、実際はこうはいきませんね。複雑な積分計算が必要になると思います。でも大筋でそのような認識でいいですよ。

#2のお礼に書かれていた

> 海などで深く潜ろうとすると、とても大変ですよね。
> どうして深く潜る方が大変なのでしょう？
に対して。

まず感覚の話しからすると、
人間が圧迫感を感じるのは単なる重さの問題でなく、体表面への圧力に対してです。
例えばシャープペンの先とおしりを親指と人差し指だけで支えてみてください。先が当っているほうが痛いですよね。でも作用・反作用の法則によって、押している力そのものは同じなんです。違いは圧力なんです。ペン先の方が面積が小さいから圧力が大きく、感覚も違ってくるわけです。
深く潜ると水圧が増すので、その分、圧迫感が増しますね。

次は、実際にもぐるのに必要な体力の問題です。
簡単のため、深さ何メートルであっても人間にかかる浮力は変わらないとしましょう。
すると、潜るのに必要な体力（エネルギー）は
[水中での体重]x[潜る深さ]
で決まります。例えば荷物を５メートル運ぶより、１０メートル運ぶほうが、２倍疲れますよね。それと同じです。
ということは潜れば潜るほど、必要な体力が大きくなり、つまりその分体力を消耗してしまうのです。

以上２点より、「深く潜るのは大変だ」と思いますが、いかがでしょうか。

　小学生の時に、水中の真ん中で物体を止めようとさんざん苦労したことを思い出しました。

　tukitosanさんの仰る通り、深く潜るほど物が縮んで浮力を失うので、沈み始めればどんどん沈む。浮き始めればどんどん浮く。どうしても止まらないんです。まぜもの（塩とか砂糖、洗剤、なんでも良いんですが）をしない限り止められなくて困った。
　ところが、よく冷やした台の上に水槽を乗せると、水温に分布ができ、表面が熱く底が冷たい、という状況になります。水の密度、すなわち同じ体積の水の重さが表面ほど軽い。（水は4℃で密度が最大になります）従って、上がれば浮力を失い、沈めば浮力が増す、という効果（いわばネガティブ・フィードバック）が働き、みごと水中に物が止まりました。
　しかし、いつまで止まっているかは物の材質・構造によると思われます。というのも、物も温度によって体積を変えるからです。冷えて縮めば、浮力を失うわけですから。

◆Naka◆

すでに完璧なご回答が出ているようなので、オマケ程度に…
わかりますよ、そう感じる気持ち。
例えば、木片などは水の表面で浮いて止まっているから、水面に近いほど浮力が小さい気がするのでしょう。
でも、木片が水面から顔を出し始めると、上からの水の圧力は０になります。
さらに顔を出すと、下からの圧力はどんどん小さくなって、浮力が小さくなります。そこで、浮力と重力がつりあう場所で静止するのですね。

簡単に言うと、物体が押しのけた水の質量が浮力になるので、水の中に入っている体積が小さくなれば、浮力も小さくなるんです。
逆に言えば、物体全部が水中にあるときは、深さに関係なく浮力は等しいことになりますね。

浮力が生じる原理をサイコロのような立方体モデルで説明しますと・・・

前提：水圧は水深に比例して大きくなる。

下面からは水圧による上方向の力を受けます。(1)
上面からは水圧による下方向の力を受けます。(2)
側面の４面の力は相殺されて０になります(3)

(1)の方が(2)より水深が深いので、力が大きくなります。
したがって、その差分だけ、上向きの力を受け、それが浮力です。(1)－(2)は水深に左右されないので、水の深さと浮力は関係が無いと言えます。

ただし、海水は水深によって塩分濃度が異なるので、自然界でそうとも言えないですが。(^^;

水中で静止している場合は、浮力と重力がつり合っているので、その位置は単純に慣性と水の抵抗による影響を受けることになります。

水の深さと直接関係があるのは、浮力ではなく水圧です。

浮力というのは、物質が押しのけた液体の体積の分の質量が、軽くなるのです。

ですから、meal さんの疑問のまず１つめは、浮力と水圧とを混乱しているのだと思います。

水深が深く、圧力があがるのですが、水のような液体の密度は圧力では、ほとんど変化しません。ですから、水深が深くなっても、浮力の変化はないと言えるでしょう。むしろ、水圧で、物質の体積が変化することの方が多いので、そちらの影響で浮力が変化することの方が多いと思います。

ですから、
水圧で物体の体積の変化がないとすれば、５cm上でも下でも止まっていられると言えるでしょう。

参考助言にでもなれば、幸いです。
tukitosan でした。