なぜ蓋をした空のペットボトルは底側が上の方が高く飛ぶのか？

ペットボトルをお風呂に沈めてから放すと、意外にも飛ぶことがあります。特に、蓋側の細い方ではなく、底側の太い方が上になると高く飛ぶことが多いです。この現象に関して、どのような物理的な理由があるのでしょうか？

1. ペットボトルが飛ぶ原理

ペットボトルが飛ぶ理由は、水中での圧力差と浮力によるものです。ペットボトルが水中に沈むと、水圧が上から下に向かって加わり、その圧力差がボトルに浮力を与えます。この浮力がボトルを押し上げる力となり、ボトルが水面に浮かび上がるのです。

ボトルが飛ぶときの挙動は、内部に空気があるために、密閉されたペットボトルの中に発生する空気の膨張や圧力差が影響します。

蓋側が細く、底側が広いペットボトルは、浮力の発生において、底側が上に来ることで安定した動きになります。なぜなら、ボトルが上に向かって浮力を受けるとき、底側が広いことで浮力が分散し、均等にボトルが飛び上がることができます。

逆に、細い蓋側が上に来た場合、ボトルの挙動が不安定になることがあります。細い部分に圧力が集中しやすく、飛ぶ力が分散しにくいため、飛びにくくなることがあります。

底側が上になることで、ボトル内部の空気の流れがよりスムーズに進み、膨張した空気が効率的にボトルを押し上げることができます。これにより、ボトルが高く飛ぶという結果になります。反対に、蓋側が上になると空気の流れが不安定になり、効率よく圧力が伝わりにくくなります。

ペットボトルが水中で飛ぶ現象において、底側が上の方が高く飛ぶ理由は、ボトル内部の空気の流れと浮力の分布が影響しているためです。ボトルの形状や浮力の発生方法に関する物理的な要因が関係しています。この現象を理解することで、物理の面白さを再発見することができます。