浮力の説明の謎

中・高の理科の先生と意見を交わしたりしていると、しばしば、物理現象としての「浮力」を題材にすることが話題になる。日常的・実際的な現象であり、効果がはっきり認識でき、実験が容易で、かつ定量的な扱いにも馴染む、、という特徴から、力学の題材として、他の例に勝って好適だと見なされることも多いようである。ところが一方、質点から多体系、連続体に向かって進む大学の力学教程では、「浮力」は、最後の最後でやっと話ができるかどうか、、というところに置かれている。浮力の問題を、教育的にどう扱うべきか、、しばらく、この問題に触れてみたい。

例によって、私の（多分）中学生ぐらいのころの記憶をたどれば、浮力の問題は、「（風呂の中などで）体験をするときにはそれなりに直感的な納得が得られるが、その理由を説明している本を見れば見るほど絶望的に分からなくなる、、」という典型例であった。浮力を説明する図や文章は（以前に述べたサイホン現象などよりも）かなり頻繁に目にするので、悩みはかなり長らくつきまとい、大学生のある段階ぐらいまで釈然としない思いに苦しめられたように思う。

学習者を悩ます標準的説明図をまず右に示してみよう。（今回は、めずらしく図を描き起こしてみた(wordによる).）

この図の悪しき点の第一は、力を表していると思われる矢印の正しい意味が説明されていないことだ。力のベクトルを表す矢印であるならば、「何に作用する力なのか」が明確でなければ意味を成さない。たくさんある矢印のそれぞれは、いったい何に作用する力であって、その大きさは何の値なのか？ 一方、学習者の立場に立つと、この矢印を、ぐいと押す人の手のように置き換えてイメージするのが普通だろう。そうすると、浮力を受ける物体は、周囲から、ぐいぐいと押し込まれていることになる。しかしこの考え方は、（後に述べるように）経験や直感に照らしてどうにも不自然なのだ。どこかが変だと感じることのできる生徒は、苦悩の中、多くの矢印ベクトルを足し算した結果が上向きの浮力を与えるという結果論だけを押しつけられ、疑問を追う気力を奪われてしまう。こんなことでいいはずがない。この説明は、どこかが間違っているのだ。
<続く>