連載
ダイビング博士 山崎先生のダイビングを科学する！
第16回「中性浮力水深」をグラフ化
ウエイトの重さやBCDの体積でどう変化する？

こんにちは！　目指すは「ダイビング博士」の山崎詩郎です。東京科学大学（旧東京工業大学）理学院物理学系にて物理学の研究と教育を行い、TVでの科学解説や映画の科学監修を多数担当しています。

撮影：山崎詩郎

私のダイビングスタイルは、自分のホームを持たず、どこのショップの常連にもならず、日本全国の出張講演のついでに日本中のいろいろな海でダイビングすることです。11月は出張が多く、北から南までいろいろなところでダイビングしてきました。11月上旬には鹿児島の「ダイビングショップSB」にお世話になりました。そこで、水中写真家の上出俊作さんのマクロフォトセミナーを受けてマクロに目覚め、贅沢にもお客さんとして参加していた水中写真家の阿部秀樹さんからも助言を頂くことができました。主に水路でサカサクラゲのマクロ写真を狙いました。11月中旬には札幌でDAN JAPANの講演をこなした後に、積丹半島の「CROSS WAY」にお世話になりました。学んだばかりのマクロの知識を活かして、直径3mmほどのアイナメの卵を狙いました。いつかは「水中写真の科学」について講演したり、記事を書いたりしてみたいと感じる秋でした。
この連載の第14回となる前々回は、中性浮力になる唯一の水深「中性浮力水深」という新しい考え方を紹介しました。第15回となる前回は、より実用的な「中性浮力水深」の式を導き、実際のダイビングの状況で「中性浮力水深」を具体的に計算しました。第16回となる今回は、「中性浮力水深」がウエイトの重さとBCD等の体積でどのように変化するのかグラフで見てみましょう。

中性浮力になる唯一の水深「中性浮力水深」

この連載の第14回となる前々回は、中性浮力になる唯一の水深「中性浮力水深」という新しい考え方を紹介しました。大切な式なので復習しておきましょう。

とても難しい式ですよね。でも、毎度のことながらご安心ください。数式は一種のアート作品だと思って、なんとなく凄そう…とか、美しい…などと感じていただければ十分です。大切なことは数式よりも、ダイビングでの意味を感じとることです。
では、この数式にはどのような意味があるのでしょうか？ この数式が意味することは、赤い字で書かれたBCDとスーツの気体の体積V_g0と、ウエイトの重さm_wがわかれば、青い字で書かれた中性浮力になる唯一の水深である「中性浮力水深」d_nが計算できるということです！！　ここまでは第14回となる前々回の復習でした。

「中性浮力水深」の式をより実用的に

では、「中性浮力水深」を求める数式を、もう少し実用的な式に変形してみましょう。黒い字で書かれている水面での気圧P₀、重力の強さg、海水の密度ρを実際の数字で置き換えて、単位を調節します。これにより完成した実用的な「中性浮力水深」の式が以下となります。大切な式なので四角で囲っておきました。

赤い字で書かれたBCDとスーツの気体の体積V_g0が何リットルかわかり、ウエイトの重さm_wが何kgかわかれば、青い字で書かれた中性浮力になる唯一の水深である「中性浮力水深」d_nが何メートルか計算できるということです！！　ここまでは第15回となる前回の復習でした。

「中性浮力水深」とBCDの体積のグラフ

それでは、実用的な「中性浮力水深」の数式を使って、BCDとスーツの気体の体積V_g0やウエイトの重さm_wが変化したときに、「中性浮力水深」d_nがどのように変わるかグラフを描いてみましょう。まず、ウエイトの重さm_wは5kgに固定しましょう。そのとき、実用的な「中性浮力水深」とBCDとスーツの気体の体積V_g0の関係は以下のようになります。

このグラフを描いたものが以下となります。

横軸はBCDとスーツの気体の体積V_g0で、0Lから25Lまで書かれています。縦軸は「中性浮力水深」d_nで、水面上10mから水深40mまで書かれています。赤い直線はその両者の関係をグラフで示したものです。すると、BCDとスーツの気体の体積V_g0が大きくなれば大きくなるほど、「中性浮力水深」d_nは逆比例するように直線的に下がっていくことがわかります。これは、実は全てのダイバーの方が直感的に知っている当たり前のことで、より深場に潜降するときはBCDに吸気し、浅瀬に浮上するときはBCDから排気しているはずです。
このグラフによれば、どのような水深でもBCDに適切に吸気すればそこで中性浮力になることができます。逆に、どのようなBCDの吸気量でも中性浮力になれる水深が存在します。それこそが「中性浮力水深」のことです。中性浮力でないときに、すぐにBCDの吸排気や肺の呼吸に頼らずに、逆にBCDはそのままで中性浮力になる水深まで上下に移動するという技を覚えておくとよいです。

グラフ中の赤丸は前回計算した値で、ウエイトの重さm_wが5kgであれば、BCDとスーツの気体の体積V_g0が10Lのときに水深10mで中性浮力になるということです。前回計算した点がちゃんとグラフの線の上に乗っているので、お互いに正しかったと安心できます。なお、グラフ中のバツ印は、BCDとスーツの気体の体積V_g0が5L以下では、水面にいても沈んでしまう、つまり水中で中性浮力がとれることはないという印です。

「中性浮力水深」とウエイトの重さのグラフ

再び、実用的な「中性浮力水深」の数式を使って、BCDとスーツの気体の体積V_g0やウエイトの重さm_wが変化したときに、「中性浮力水深」d_nがどのように変わるかグラフを描いてみましょう。今度は、BCDとスーツの気体の体積V_g0は10Lに固定しましょう。そのとき、実用的な「中性浮力水深」とウエイトの重さm_wの関係は以下のようになります。

このグラフを描いたものが以下となります。

横軸はウエイトの重さm_wで、0kgから12.5kgまで書かれています。縦軸は「中性浮力水深」d_nで、水面上10mから水深40mまで書かれています。赤い直線はその両者の関係をグラフで示したものです。すると、ウエイトの重さm_wが大きくなれば大きくなるほど、「中性浮力水深」d_nは最初急に徐々に緩やかに大きくなっていくことがわかります。これは、実は全てのダイバーの方が直感的に知っている当たり前のことで、より深場でダイビングするときはウエイトを軽めにして、より浅場でダイビングするときはウエイトを重めにしているはずです。
グラフ中の赤丸は前回計算した値で、BCDとスーツの気体の体積V_g0が10Lであれば、ウエイトの重さm_wが5kgのときに水深10mで中性浮力になるということです。前回計算した点がちゃんとグラフの線の上に乗っているので、お互いに正しかったと安心できます。なお、グラフ中のバツ印は、ウエイトの重さが10kg以上では、水面にいても沈んでしまう、つまり水中で中性浮力がとれることはないという印です。

ウエイトの重さm_wとBCDとスーツの水面での気体の体積V_g0の決定的な違いは、前者はダイビング中に変えられないが、後者は変えられるというところです。ウエイトの重さm_wが5kgでエントリーし、水深10mで中性浮力をとりたいと思ったら、BCDとスーツの水面での気体の体積V_g0を10Lにするしかありません。「中性浮力水深」は器材とその状況で、唯一ひとつに決まります。

まとめ

第16回となる今回は、中性浮力になる唯一の水深である「中性浮力水深」の数式から、より実用的な「中性浮力水深」の数式を導き、実際のダイビングの状況で「中性浮力水深」のグラフを描きました。1年半続いたこの連載も、次回はいよいよ中性浮力編の最終回です…！　中性浮力が簡単になる衝撃的な結論が導かれます。

これまでの「ダイビングを科学する」はこちらをご覧ください