木は水に浮くのに、鉄は水に沈む。この違いを決めるのが「密度」です。
密度とは、物質がどれだけ「詰まっている」かを示す値で、密度が1より大きい物質は水に沈み、1より小さい物質は水に浮くという法則があります。
この記事では、密度について詳しく解説していきます。
密度が大きい（高い）とは？1より大きいとどうなる？
まずは密度が大きい（高い）状態について解説していきます。
密度が大きいとは、同じ体積の中により多くの質量が詰まっている状態を指します。
例えば、同じ大きさの箱に、片方には羽毛を、もう片方には鉄球を詰め込んだとします。 鉄球を詰め込んだ箱の方が圧倒的に重くなりますよね。
これは鉄の方が羽毛よりも密度が大きいからです。
密度の計算方法
密度は以下の式で計算できます：
密度 = 質量 ÷ 体積
単位は通常、g/cm³（グラム毎立方センチメートル）で表されます。
水の密度は1g/cm³なので、これを基準として考えることが多いです。
密度が1より大きい物質の特徴
密度が1g/cm³より大きい物質は、水よりも重いということを意味します。
代表的な例として以下のようなものがあります：
- 鉄：約7.9g/cm³
- 銅：約8.9g/cm³
- 鉛：約11.3g/cm³
- 金：約19.3g/cm³
これらの物質を水に入れると、必ず沈んでしまいます。なぜ1より大きいと沈むのか？密度が1より大きい物質が水に沈む理由は、浮力の原理にあります。物体が液体中に置かれると、その物体には上向きの力（浮力）が働きます。 この浮力の大きさは、物体が押しのけた液体の重さと等しくなります。密度が1より大きい物質の場合：
- 物体の重さ > 押しのけた水の重さ
- 重力 > 浮力
- 結果として物体は沈む
つまり、物体自体の重さが、それが押しのけた水の重さよりも大きいため、下向きの力（重力）が上向きの力（浮力）に勝ってしまうのです。日常生活での例私たちの身の回りでも、密度が大きい物質が沈む例をたくさん見ることができます：
- お風呂に落とした石鹸（密度約1.1g/cm³）
- プールの底に沈む硬貨
- 海に沈む船の錨
これらはすべて密度が水より大きいため、沈んでしまうのです。密度が小さい（低い）とは？次に、密度が小さい（低い）状態について解説していきます。密度が小さいとは、同じ体積の中に含まれる質量が少ない状態を指します。先ほどの例で言えば、羽毛が詰まった箱が密度の小さい状態に相当します。密度が1より小さい物質の特徴密度が1g/cm³より小さい物質は、水よりも軽いということを意味します。代表的な例として以下のようなものがあります：
- 木材（種類により異なるが、多くは0.3〜0.9g/cm³）
- 氷：約0.92g/cm³
- 油：約0.8〜0.9g/cm³
- 発泡スチロール：約0.01〜0.05g/cm³
これらの物質を水に入れると、水面に浮かび上がります。なぜ1より小さいと浮くのか？密度が1より小さい物質が水に浮く理由も、浮力の原理で説明できます。密度が1より小さい物質の場合：
- 物体の重さ < 押しのけた水の重さ
- 重力 < 浮力
- 結果として物体は浮く
物体自体の重さが、それが押しのけた水の重さよりも小さいため、上向きの力（浮力）が下向きの力（重力）に勝って、物体は水面に浮かび上がるのです。氷が水に浮く理由興味深い例として、氷が水に浮く現象があります。氷は水が凍ったものなのに、なぜ水に浮くのでしょうか？これは、水が凍る際に分子の配列が変わり、体積が約9%増加するためです。 質量は変わらないのに体積が増えるので、密度が小さくなります。
- 水の密度：1.0g/cm³
- 氷の密度：約0.92g/cm³
この密度の違いにより、氷は水に浮くのです。日常生活での例密度が小さい物質が浮く例も、私たちの周りにたくさんあります：
- お風呂に浮かぶ木のおもちゃ
- 水面に浮く油
- 海に浮かぶ木の船
- 氷が浮いた飲み物
これらはすべて密度が水より小さいため、浮いているのです。船が浮く理由大きな鉄の船がなぜ浮くのか、疑問に思ったことはありませんか？鉄の密度は約7.9g/cm³と水より大きいのに、船は浮きます。これは、船の内部に空気が入っているからです。 船全体（鉄の部分＋空気の部分）の平均密度が1g/cm³より小さくなるため、船は浮くことができるのです。まとめ密度と物質の浮き沈みについて解説してきました。重要なポイントをまとめると以下の通りです：密度が大きい（1より大きい）場合：
- 物質は水に沈む
- 物体の重さが押しのけた水の重さより大きい
- 重力が浮力に勝る
- 例：鉄、銅、金、石など
密度が小さい（1より小さい）場合：
- 物質は水に浮く
- 物体の重さが押しのけた水の重さより小さい
- 浮力が重力に勝る
- 例：木材、氷、油、発泡スチロールなど
基本的な法則：
- 密度 = 質量 ÷ 体積
- 水の密度（1g/cm³）を基準として考える
- 浮力の原理によって浮き沈みが決まる
この知識を身につけることで、日常生活の様々な現象を科学的に理解できるようになります。例えば、料理で油と水が分離する現象や、氷が飲み物に浮く理由、大きな船が海に浮かぶ仕組みなど、すべて密度の概念で説明することができます。物理学の基本的な概念である密度を理解することは、私たちの周りの世界をより深く理解する第一歩となるでしょう。
